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底部排气弹底部流场数值模拟与气动弹道特性研究

谢利平  
【摘要】:随着火炮精度的提高以及现代战术与技术的发展,增加火炮射程显得尤为重要。在增大火炮射程的诸多方法中,底排增程以其结构简单、增程率高等优点为世界各国所广泛采用。底部排气方法通过向弹底低压区排入质量与能量、提高底压来达到减阻增程的目的。针对底部排气弹的相关关键技术国内外已形成一些成果,但关于底部排气弹的底排参数优化设计问题、高速旋转条件下底部流场的计算分析及其对减阻特性的影响等问题研究得非常少。为此,本文以高速旋转底部排气弹为研究对象,围绕底排参数对底排弹减阻增程特性的影响、底排参数优化、底部流场数值模拟和气动特性分析等方面进行研究分析。(1)分析了底部排气弹的减阻机理并建立了其内外弹道模型。通过分析底排药剂的燃烧机理,运用公式推导等方法建立了底排内弹道方程组;在分析底部排气弹所受力和力矩的基础上,根据牛顿第二定律和动量矩定理推导出了底排弹的六自由度刚体弹道方程。底排装置内弹道方程和底排弹外弹道方程相结合构建成为底部排气弹的弹道计算模型。(2)研究了底排参数对底排弹减阻增程特性的影响。利用已构建好的底部排气弹弹道计算模型,以某底部排气弹为例进行弹道计算,对比分析了药剂燃速系数、底排药柱长、药柱内径、药柱分瓣数和喷口直径等底排参数对底部排气弹弹道特性的影响。(3)以射程最大化作为目标函数对底部排气弹的底排参数进行了优化设计。选取底排药柱燃速系数、底排药柱长、药柱初始内半径、药柱分瓣数和底排喷口直径等5个参数作为优化设计变量,选取射程作为目标函数,并依实际情况设置一定的约束条件。基于遗传算法和粒子群算法各自的优缺点,设计了寻优速度快、精度高的遗传粒子群算法作为寻优过程的智能优化算法,进而构建了底部排气弹弹道优化设计模型,并以此模型对底部排气弹的底排参数进行了优化设计。(4)数值模拟了底部排气弹的底部流场并分析了其对减阻特性的影响。采用滑移网格等技术手段,建立了底排弹数值仿真模型,对无旋条件和高旋条件下底部排气弹的底部流场进行了数值模拟与计算分析,研究了无旋条件下排气参数、来流马赫数以及炮口、高空等环境条件对底部流场和气动特性的影响,此外,更重点研究了高速旋转条件下弹丸转速和排气参数对底部流场和气动特性的影响以及相互制约关系。


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