坦克炮口冲击波的传播与作用机理数值研究

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坦克炮在发射过程中,随着弹丸飞离膛口,高温高压火药燃气急剧向外喷出,形成膛口冲击波。膛口冲击波在膛口外膨胀,与复杂的外流场发生强烈的相互作用,形成具有复杂波系的非稳态高度欠膨胀射流,即火药燃气流场。火药燃气流场发展到远场,冲击波传播到地面、坦克表面可能会危害到操作人员和仪器设备等,特别是大口径火炮等高性能高速武器,其冲击波强度更大,潜在的危害性也更大。  目前关于坦克炮发射过程中的流场动力学发展以及远场冲击波传到坦克面时对人员、平台设备装置等有何冲击及危害的相关公开资料,尤其是实验数据还比较少。本文利用FLUENT流体计算软件,对坦克炮在发射过程中形成的复杂流场进行了数值模拟。主要采用二维、三维非定常Euler方程,结合具有二阶精度的Roe-FDS空间格式以及结构化动网格技术,利用FVM方法对控制方程进行离散求解;因流场复杂、网格数庞大,采用分布式区域分解算法进行并行计算。  本文分别对一般条件下的典型膛口流场、不同地形条件和气象条件下的坦克发射过程进行了数值模拟。根据计算结果,分析弹丸飞离炮口过程的流场特性及其发展规律、冲击波各波系之间的相互作用,着重讨论与地面之间的反射特点、远场冲击波对坦克表面的作用机理等。具体包括:  (1)通过与典型实验结果的对照,验证了本文数值方法能基本再现膛口流场的主要特征。通过坦克炮口流场的二维和三维计算结果表明,坦克炮发射过程中存在复杂的波动力学现象,如膛口冲击波与其它波系的相互追赶、叠加与相交,以及与地面、炮身之间的碰撞、反射等复杂的物理现象。  (2)膛口冲击波及其反射激波等波系碰撞或翻越坦克面过程中,坦克表面各典型部位测点所受到的超压峰值随时间表现出较大的震荡变化特征。在本文计算条件下,所取测点的超压峰值均超过了人听觉器官可承受的安全阀值。  (3)在斜面地形、高海拔等外界环境下,膛口冲击波传播特性及流场特征均存在相似性和较明显的不同之处。
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