一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。该方法包括：建立二级轻气炮装置的几何模型；基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；采用有限体积方法对流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；采用有限元方法对固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；采用有限体积法或有限元方法对耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度。本发明专利技术对于流场的计算采用了高阶格式，可高精度捕捉到气体的可压缩效应，固场计算采用了混合增强有限元方法，提高了计算的稳定性。了计算的稳定性。了计算的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及流场性能预测
，特别是涉及一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。

技术介绍

[0002]无论是在军事领域还是在民用领域，对弹丸发射速度的需求是长期广泛存在的。随着科技的发展，对于弹丸的出膛速度也提出了越来越高的需求。如民用领域中通过超高速弹丸撞击太空中航天器产生的碎片和垃圾，减小航天器运行过程中的风险；在军用领域中，弹丸速度越高其动能侵彻性能越好。但另一方面，弹丸速度的提升对材料的强度、耐热性、结构的气动性能等都提出了更高的要求。二级轻气炮是一种利用气体膨胀做功推动活塞在泵管中运动，活塞压缩气体推动弹丸使弹丸获得极高速度的发射系统。该系统具有高通用性、广泛应用领域、弹丸速度高的优势，同时对弹丸材料要求不高，能够让弹丸在承受较小应力和加速度的前提下获得较高的加速度。
[0003]对二级轻气炮内流场性能进行预测的方法主要有两种：
[0004]一种是基于实验测量的方法，通过在内流场某些部位加装压力传感器和磁测速传感器，获得压力信号和弹丸速度信号，测量爆轰波压力和弹丸速度；该方法的主要缺点是：(1)无法获得二级轻气炮内流场全三维全流场性能参数；(2)需要专门的场地开展实验；(3)需要占用大量的人力、物力和财力；(4)实验的周期长，同时会经常出现失败情况，需要反复进行实验，进一步增加成本；(5)测试过程中很多不确定性因素无法控制，因此获得的实验结果有时与真实过程存在一定的差别。
[0005]另一种是基于理论和数值模拟的计算方法。对于理论计算来说，存在的主要缺点是：(1)简化假设较多，与实际物理过程相差较大；(2)理论计算只能获得最终的结果和结论，无法获得轻气炮内流场动力学过程中的细节，无法动态捕捉活塞和弹丸运动过程中的典型现象，预估的结果与实际经常存在较大的差别；(3)理论计算分析依赖于实验的结果，实验无法捕捉到的现象，在进行机理分析的过程中就会存在盲点，影响理论模型的准确性；(4)理论模型中通常包含有很多人工参量，预测结果的精度与这些人工参量息息相关，影响结果的客观性。对于现有的数值模拟来说，主要存在的缺点是：(1)仅能对二级轻气炮内流场热
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流
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固多场耦合中的某一特定物理场进行计算，无法实现多场耦合计算，如采用计算流体力学对内流场中气体的可压缩过程进行数值模拟，弹丸和活塞仅考虑成刚体进行运动，无法获得弹丸和活塞的运动变形过程；(2)现有的数值模拟主要停留在一维，仅能获得气流场在沿管道方向的变化，无法获得管道内激波的形成与反射等三维现象。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提供了一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种二级轻气炮内流场性能预测方法，包括：
[0009]建立二级轻气炮装置的几何模型；
[0010]基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；
[0011]采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；
[0012]采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；
[0013]采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度。
[0014]可选地，所述流体力学模型包括：流体运动的N
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S方程、湍流模型、固体推进剂燃烧模型、含能气体化学反应模型、描述反应物与产物混合流动的组分输运模型、气体可压缩状态方程以及流场内的热传导模型。
[0015]可选地，所述固体力学物理模型包括：固体的变形运动方程、描述界面演变的ALE连续介质力学模型、固体结构本构模型、加载体
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壁面摩擦模型以及固体结构内的热传导模型。
[0016]可选地，所述流场与固场之间的耦合模型包括耦合作用力传递模型、耦合传热模型、流场与固场的耦合边界条件以及流场、固场各自的边界力施加模型。
[0017]可选地，所述采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度，具体包括：
[0018]在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；
[0019]在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度。
[0020]本专利技术还提供了一种二级轻气炮内流场性能预测系统，包括：
[0021]几何模型建立模块，用于建立二级轻气炮装置的几何模型；
[0022]物理模型建立模块，用于基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；
[0023]第一求解模块，用于采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；
[0024]第二求解模块，用于采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；
[0025]第三求解模块，用于采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度
[0026]可选地，所述第三求解模块具体包括：
[0027]第一求解单元，用于在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；
[0028]第二求解单元，用于在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度。
[0029]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0030]本专利技术提出了一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统，集合了计算流体力学、计算固体力学和热传导等学科知识，采用计算机计算的方式完成，可以获得二级轻气炮内流场气体、活塞和弹丸运动过程中的所有细节，再现整个物理过程，一方面克服了传统实验方法的缺陷，无需花费大量的人力物力和财力，仅需要计算机即可完成，可多次重复，不会受到外界因素的干扰；另一方面克服了传统理论预测方法和低维度单一数值方法的不足，其既可以获得最终的预测结果，同时可实时再现整个内流场细节，深入分析其中的激波形成机理、温度升高规律、活塞变形运动机理以及弹丸运动出膛机理等。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二级轻气炮内流场性能预测方法，其特征在于，包括：建立二级轻气炮装置的几何模型；基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度。2.根据权利要求1所述的二级轻气炮内流场性能预测方法，其特征在于，所述流体力学模型包括：流体运动的N
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S方程、湍流模型、固体推进剂燃烧模型、含能气体化学反应模型、描述反应物与产物混合流动的组分输运模型、气体可压缩状态方程以及流场内的热传导模型。3.根据权利要求1所述的二级轻气炮内流场性能预测方法，其特征在于，所述固体力学物理模型包括：固体的变形运动方程、描述界面演变的ALE连续介质力学模型、固体结构本构模型、加载体
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壁面摩擦模型以及固体结构内的热传导模型。4.根据权利要求1所述的二级轻气炮内流场性能预测方法，其特征在于，所述流场与固场之间的耦合模型包括耦合作用力传递模型、耦合传热模型、流场与固场的耦合边界条件以及流场、固场各自的边界力施加模型。5.根据权利要求4所述的二级轻气炮内流场性能预测方法，其特征在于，所述采用有限体积法或有限元方法对...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一凡，刘虎，陈福振，严红，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：