基于ale方程及嵌入网格法的膛口流场数值模拟

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1、万方数据第28卷第12期207年12月兵工学报ACTAARMAMENTARIIV01．28No．12Dec．2007基于ALE方程及嵌入网格法的膛口流场数值模拟姜孝海，李鸿志，范宝春，陈志华(南京理工大学弹道重点实验室，江苏南京210094)摘要：采用基于ALE(ArbitaryLagrangian—Eulerian)方程的动网格和嵌入网格法及二阶精度Roe方法，对膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果，详细讨论了初始流场、火药燃气流场的形成与发展以及与弹丸的耦合和相互作用过程，并与膛口流场的实验阴影照片进行了对照，两者在定性上是吻合的。关键词：流体力学；膛口流场；

2、数值模拟；实验阴影；动力学过程中图分类号：TJ012．2文献标志码：A文章编号：1000—1093(2007)12—1512—04NumericalSimulationofMuzzleFlowFieJdBasedonALEEquationandChimeraGridsJIANGXiao—hai，LIHong—zhi，FANBao—chun，CHENZhi—hua(KeyLaboratoryofBallistics，NanjinguniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，Jiangsu，China)Abstract

3、：Themuzzleflowfieldwassimulatednumericallybychimeragridsanddynamicmeshbased。nALE(ArbitaryLagrangian—Eulerian)equationsandsecond—orderprecisionRoescheme．Fromthepredictedresults，theinteractionsamongprecursorflowfield，muzzleblastflowfieldandhigh—speedprojectilewerediscussedindetail．Andag

4、oodqualitativeagreementbetweenthedistributionsofthepredicteddensitygradientandtheexperimentalshadowgraphwasobtained．KeywOrds：fluidmechanics；muzzleflowfield；numericalsimulation；experimentalshadowgraph；dy．namicprocessO引言关于火炮发射时膛口冲击波、噪声及膛口焰等对人员、运载平台(车船)及其装备等的危害作用以及膛口气流对弹丸初始扰动和射击精度的影响问题，国

5、内外已进行了大量的研究工作。随着计算机与计算方法的不断发展，膛口流场的数值模拟，仍是中间弹道学的重要研究方向之一。由于膛口流场是一个包含高速运动弹丸、多个射流和冲击波、湍流等相互耦合和作用的多维、多相、带化学反应的非定常超音速气体动力学问题以收稿日期：2006—06—27基金项目：国防科技重点实验室基金资助项目及模型与解法的复杂性，关于膛口流场的数值研究，一般都作了不同程度的简化，如不考虑化学反应【卜4f、忽略初始流场[1

6、、简化弹丸形状[2]甚至忽略运动弹丸∞J，或者在研究某单一因素的影响机理时而忽略其它[4_5]等。这些简化难以全面反映膛口流场的复杂机理，不能

7、准确地再现膛口流场的真实物理过程。因此，开展真实膛口流场的全物理过程的数值研究工作具有重要的现实意义。本文模拟带初始流场和运动弹丸的膛口流场。为便于处理因弹丸运动引起的网格变形，更好的捕捉激波和接触间断，采用了基于ALE方程的动网格万方数据第12期基于ALE方程及嵌入网格法的膛口流场数值模拟和嵌入网格法以及高分辨率的二阶精度Roe方法，并与本实验室高速阴影试验照片进行了对比。1数学模型不考虑气体粘性和化学反应，对于动网格，ALE方程[61为3胛rr盖上UQdV+睁(F—Q‰)咒ds=o，(1)V【fJS【￡J式中：Q=[1D，lD'，，E]4。，F=Q1，+G，G

8、=(0，Pn，Pl’)T，p、1，、E分别表示气体密度、速度矢量和单位体积的总能；S(￡)表示￡时刻，包含控制体V(￡)的表面积；n表示其外法线方向；1，b表示沿外法线方向控制体的表面速度矢量，当vb=0时，方程(1)为Euler方程；当％=l，时，则为Lagrangian方程。式(1)在体积可变的控制体中离散后，得Ⅷf．NQ什1=嵩(Q～去∑F￡△s{△￡)，(2)yi=l式中：上标咒表示前一时刻，竹+1表示所求的时刻；N表示所求控制体所包含的外表面总数；△Si表示第i个面的面积；B表示F在该面外法线方向的分量，即界面流量。将控制体界面视为一维黎曼问题，界面流量

9、根据Roe