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高超声速弹丸气动烧蚀数值模拟

张羽  
【摘要】: 随着科学技术的发展,现代常规兵器也正向着高速度、高精度、高威力和远程化的方向发展。新概念动能武器可以把弹丸加速到每秒几公里的速度。由于初速极大,弹丸在飞行过程中产生了气动烧蚀。本文对新式武器所发射的高超声速弹丸的气动烧蚀进行了研究,数值模拟了弹丸气动热、结构热的耦合换热和弹丸的烧蚀变形过程。 首先建立了弹丸在高超声速条件下的计算模型和数值模拟方法。控制方程采用二维、可压N-S方程,湍流模型采用S-A湍流模型,辐射模型采用P-1辐射模型。 采用本文所研究的计算流体软件计算了弹丸表面气动热,以15°球头钝锥为例,计算了钝锥表面热流,得到了与实验较吻合的计算结果;数值模拟了弹丸表面气动热和弹体结构热的耦合换热,以二维高超声速圆管绕流为例,利用流、热耦合的方法进行了数值验证,得到了与实验比较吻合的计算结果。 对烧蚀引起的弹丸头部变形区域,使用动网格方法,进行了局部网格重划,保证了网格的质量。采用FLUENT软件提供的用户二次开发接口(UDF),使耦合换热边界上的流固双重边界实现了共同运动。 以某型号弹丸为例,数值模拟了高超声速条件下弹丸的气动烧蚀,得到了与工程算法较吻合的计算结果。数值模拟了不同海拔高度、不同来流速度、不同弹丸头部半径、不同半锥角条件下弹丸的烧蚀情况,给出了弹丸按时间顺序排列的烧蚀外形图。结果显示来流速度对弹丸气动烧蚀的影响最为明显。 本文的研究对高超声速弹丸材料选择和外形设计具有一定的参考意义。


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