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电热化学炮内弹道过程无网格法数值模拟

作　者: 朱艳明
导　师: 李海元
学　校: 南京理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 电热化学炮内弹道两相流 SPH 数值模拟等离子体
分类号: TJ012.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电热化学炮(ETCG)内弹道过程异常复杂,涉及两相流动力学、传热学、燃烧学、化学动力学、湍流力学、爆轰学等诸多学科,其中还存在多种物理强间断问题,如爆轰波、激波火焰波以及传火孔高速射流等,又由于装药结构和初始装填条件的原因造成药筒间的间隙及弹后自由空间等不连续问题从而形成空间上强间断面。这些物理间断和空间间断给传统的基于网格的数值模拟方法的应用带来了很大的困难。而无网格法最大的优点在于它不需要在问题域中划分网格,这就摆脱了不连续性对问题的束缚(如网格的重构等),保证了求解精度。光滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟方法是一种无网格粒子法,它在流体力学和固体力学领域都有广泛的应用,比如在弹性流、磁流体力学、多相流动和金属成型模拟等方面。SPH方法的另外一个重要应用是模拟高能炸药燃烧爆炸现象,是瞬态物理领域新的重要的一种数值模拟方法。本文用SPH方法对固体化学工质电热化学炮的内弹道过程进行数值模拟,这是一个二维轴对称气-固两相流瞬态物理过程。在结合流体力学基本方程组与电热化学炮内弹道基本假设的基础上,用Fortran语言编写了内弹道过程SPH计算程序,对内弹道的一些重要参数,温度、压力和空隙率等随时间、空间的变化进行了模拟分析。计算结果表明,用SPH法编写的内弹道计算程序可行,其结果与实验数据基本吻合。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
1 绪论  7-13
  1.1 电热化学炮简介  7
  1.2 课题研究意义及应用前景  7-10
    1.2.1 研究意义  7-9
    1.2.2 应用前景  9-10
  1.3 国内外研究现状  10-12
    1.3.1 等离子体与火药相互作用的基础研究  10
    1.3.2 SPH自适应法和修正SPH法  10-11
    1.3.3 SPH法固壁边界的处理  11-12
  1.4 本文所做的主要工作  12-13
2 电热化学炮内弹道模型  13-38
  2.1 两相流的几个概念  13-15
  2.2 两相流基本方程组  15-27
    2.2.1 推导过程  16-17
    2.2.2 各守恒方程的统一形式  17-18
    2.2.3 各相守恒方程与相间作用的关系  18-20
    2.2.4 平均化的两相流方程组  20-23
    2.2.5 相间作用的分解  23-27
  2.3 膛内多相流动与燃烧模型  27-35
    2.3.1 基本假设  27
    2.3.2 基本方程组及补充方程组  27-30
    2.3.3 相间作用项及点火模型  30-35
  2.4 等离子体射流模型  35-38
    2.4.1 等离子体发生器结构  35-36
    2.4.2 等离子体射流方程  36-38
3 光滑粒子流体动力学(SPH)数值方法的理论基础  38-57
  3.1 SPH方法概述  38-44
    3.1.1 函数的SPH表示法  38-40
    3.1.2 核函数  40-41
    3.1.3 Navier-Stokes方程组的SPH表示法  41-42
    3.1.4 柱坐标系下的Navier-Stokes方程组SPH离散化  42-44
  3.2 环向积分和高斯核函数  44-50
    3.2.1 环向积分思想  44-45
    3.2.2 高斯核函数及其导数  45-48
    3.2.3 柱坐标系下的SPH公式  48-50
  3.3 SPH数值计算相关问题  50-55
    3.3.1 人工粘度和人工热量  50-51
    3.3.2 人工压缩率  51-52
    3.3.3 光滑长度选取及其更新  52-53
    3.3.4 变时间步长积分和时间步长  53-55
  3.4 修正SPH法  55-57
    3.4.1 CSPH法  55-56
    3.4.2 MSPH法  56-57
4 SPH法模拟两相流内弹道过程  57-77
  4.1 计算方法及策略  57-59
    4.1.1 物理模型  57
    4.1.2 粒子的初始配置  57-58
    4.1.3 边界粒子和虚粒子  58-59
  4.2 程序流程  59-70
    4.2.1 计算方程  59-63
    4.2.2 已知参数及流场初始化  63-65
    4.2.3 空间步长和时间步长  65-66
    4.2.4 近壁粒子的处理  66-67
    4.2.5 相间作用项的程序实现  67-69
    4.2.6 程序流程图  69-70
  4.3 计算结果及分析  70-77
5 总结与展望  77-79
  5.1 总结  77-78
  5.2 展望  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-83

电热化学炮内弹道过程无网格法数值模拟

内容摘要

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