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蒸汽弹射系统内弹道数值模拟与参数设计

作　者: 沈国
导　师: 张小兵
学　校: 南京理工大学
专　业: 兵器发射理论与技术
关键词: 蒸汽弹射内弹道过程两相流数值模拟参数设计
分类号: TJ013.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

蒸汽弹射系统是舰载机起飞的主要弹射装置,其作用是帮助舰载机快速起飞、缩短起飞距离、提高作战反应能力等。其内弹道过程对舰载机的弹射性能以及发射安全性等有着重要的影响。本文以蒸汽弹射系统为研究对象,分析了蒸汽弹射的物理过程,并对其进行数学建模与数值模拟分析,并同时对蒸汽弹射系统参数进行设计,主要内容如下：(1)建立蒸汽弹射过程零维内弹道模型,编制了用于计算水蒸汽物性参数的水蒸汽程序,并与零维内弹道程序耦合,采用四阶Runge-Kutta法进行数值模拟,并分析不同因素对蒸汽弹射内弹道性能的影响。(2)建立蒸汽弹射过程一维数学模型,采用MacCormack差分格式进行数值模拟计算,并使用激波管、完全气体膨胀做功等经典算例,对程序的正确性及计算精度进行验证,得到了活塞底部压力、舰载机速度和位移随时间变化规律,以及不同时刻汽缸内的压力分布图；分析了蒸汽在汽缸中凝结问题,为预防蒸汽凝结,提供了一定的理论依据。(3)对蒸汽弹射过程进行二维数值模拟,来研究发射汽缸内压力场、速度场等流场变化情况,以及舰载机速度、位移等参数随时间的变化规律,为蒸汽弹射系统的工程设计提供一定的参考。(4)结合蒸汽弹射内弹道过程,对蒸汽弹射参数进行设计分析,并对蒸汽供应系统进行分析讨论。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-19
  1.1 课题的研究背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究概况和发展趋势  11-16
    1.2.1 国外研究概况  11-13
    1.2.2 国内研究概况  13-16
    1.2.3 弹射器的发展趋势  16
  1.3 蒸汽弹射系统的概述  16-18
    1.3.1 蒸汽弹射系统的发射原理  16-17
    1.3.2 蒸汽弹射系统的结构装置  17-18
    1.3.3 蒸汽弹射系统的数学仿真简介  18
  1.4 本文主要工作  18-19
2 蒸汽弹射过程零维内弹道模型数值模拟  19-30
  2.1 物理过程  19-20
  2.2 数学模型  20-21
    2.2.1 水蒸汽流量方程  20
    2.2.2 水蒸汽能量方程  20-21
    2.2.3 水蒸汽状态参数的确定  21
    2.2.4 活塞的运动方程  21
  2.3 数值计算方法  21-23
  2.4 数值计算及结果分析  23-24
  2.5 不同因素对蒸汽弹射内弹道性能的影响  24-28
    2.5.1 储气罐压力对蒸汽弹射内弹道性能的影响  24-25
    2.5.2 喉部直径对蒸汽弹射内弹道性能的影响  25-26
    2.5.3 储气罐温度对蒸汽弹射内弹道性能的影响  26-27
    2.5.4 汽缸直径对蒸汽弹射内弹道性能的影响  27-28
    2.5.5 舰载机重量对蒸汽弹射内弹道性能的影响  28
  2.6 本章小结  28-30
3 蒸汽弹射过程一维数值模拟  30-50
  3.1 蒸汽弹射过程一维数学模型的建立  30-31
    3.1.1 气相质量平衡方程  30
    3.1.2 气相动量平衡方程  30
    3.1.3 气相能量平衡方程  30-31
    3.1.4 水蒸汽状态方程  31
  3.2 蒸汽弹射过程一维数值求解的方法  31-36
    3.2.1 数值模型的时间离散  31-32
    3.2.2 初始条件和边界条件  32-35
    3.2.3 人工粘性处理和开关函数  35
    3.2.4 滤波技术  35
    3.2.5 网格生成及合并技术  35-36
  3.3 蒸汽弹射过程一维数学模型和方法的验证  36-42
    3.3.1 气相流动算例分析  36-41
    3.3.2 动边界算例分析  41-42
  3.4 蒸汽弹射过程一维数值分析  42-44
    3.4.1 物理边界条件  42
    3.4.2 数值计算结果分析  42-44
  3.5 蒸汽凝结影响分析  44-49
    3.5.1 数学模型  45-47
    3.5.2 气液两相流数值求解方法  47
    3.5.3 计算结果及分析  47-49
  3.6 本章小结  49-50
4 蒸汽弹射系统发射过程二维模拟  50-56
  4.1 建模分析  50
  4.2 数学模型  50-52
    4.2.1 基本控制方程  50-51
    4.2.2 湍流模型方程  51
    4.2.3 计算区域与边界条件  51-52
    4.2.4 动网格更新方法  52
  4.3 数值模拟及结果分析  52-55
  4.4 本章小结  55-56
5 蒸汽弹射系统参数设计  56-66
  5.1 蒸汽弹射参数的设计研究  56-60
    5.1.1 内弹道设计要求  56
    5.1.2 内弹道优化设计基本关系式  56-58
    5.1.3 发射阀供汽规律的研究  58-59
    5.1.4 设计方案的应用  59-60
  5.2 能源供应系统的设计研究  60-65
    5.2.1 能源供应系统的能量分析  60-63
    5.2.2 火药代替常规能源的可行性分析  63-65
  5.3 本章小结  65-66
6 结束语  66-68
  6.1 工作总结  66
  6.2 问题与展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-73

蒸汽弹射系统内弹道数值模拟与参数设计

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