[发明专利]一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及流场性能预测技术领域，特别是涉及一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。

背景技术

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。

对二级轻气炮内流场性能进行预测的方法主要有两种：

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。

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-流-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。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种二级轻气炮内流场性能预测方法，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；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；