基于FLUENT軟件和內(nèi)彈道模型雙向耦合的超高射頻火炮發(fā)射過程模擬

羅喬， 張小兵

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

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基于FLUENT軟件和內(nèi)彈道模型雙向耦合的超高射頻火炮發(fā)射過程模擬

羅喬， 張小兵

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

彈頭阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性直接決定了超高射頻火炮內(nèi)彈道數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。為了提高超高射頻火炮內(nèi)彈道過程數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，利用二次開發(fā)工具UDF將FLUENT軟件和經(jīng)典內(nèi)彈道(CIB)模型雙向耦合計(jì)算超高射頻火炮彈前流場，得到了超高射頻火炮發(fā)射過程中第2發(fā)彈丸的彈頭阻力，分析了不同射擊頻率下彈頭阻力的變化規(guī)律。結(jié)果表明：FLUENT-CIB模型雙向耦合計(jì)算能夠得到彈前身管內(nèi)火藥氣體各個(gè)時(shí)刻的流場分布，提高了彈頭阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性；彈頭阻力在彈丸啟動(dòng)后很快由減小變成增大，增大到某個(gè)極大值后又逐漸減小，直到彈丸出炮口，這個(gè)變化規(guī)律在不同射擊頻率下普遍存在；射頻降低，在彈丸運(yùn)動(dòng)前期彈頭阻力增幅減小，在彈丸運(yùn)動(dòng)后期彈頭阻力降幅也減小。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 內(nèi)彈道； 超高射頻火炮； 數(shù)值模擬； FLUENT； 雙向耦合

0　引言

超高射頻火炮是一種采用全新發(fā)射技術(shù)的身管武器，如圖1所示，其身管內(nèi)多發(fā)彈藥串聯(lián)預(yù)裝填，在電子點(diǎn)火系統(tǒng)的精確控制下能夠以超過10 000發(fā)/min的射擊頻率依次發(fā)射。在如此高的射擊頻率下，前一發(fā)彈丸離開炮口后，身管內(nèi)火藥氣體還未排空，后一發(fā)彈丸就已經(jīng)開始點(diǎn)火，等到膛內(nèi)火藥燃燒產(chǎn)生的氣體作用在彈底的壓力與彈丸頭部氣體阻力的差值超過彈丸啟動(dòng)壓力后，后發(fā)彈丸才開始運(yùn)動(dòng)，并且后發(fā)彈丸在身管內(nèi)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中都與彈前火藥氣體緊密耦合，相互影響。因此在超高射頻火炮內(nèi)彈道過程數(shù)值模擬研究中，彈頭阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性是特別重要的，直接決定了整個(gè)超高射頻火炮內(nèi)彈道數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

圖1　超高射頻火炮結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure diagram of ultrahigh firing rate gun

目前國內(nèi)已有較多學(xué)者對超高射頻火炮發(fā)射過程建立了經(jīng)典內(nèi)彈道模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

楊均勻等[1]采用斯魯哈斯基公式來描述前發(fā)彈丸火藥氣體排空過程中壓力的變化，假設(shè)身管內(nèi)火藥氣體的排空過程是一個(gè)絕熱過程，通過公式推導(dǎo)得到彈丸出炮口后膛內(nèi)火藥氣體平均壓力p為

(1)

式中：pg為炮口壓力；t為彈丸出炮口后火藥氣體流出時(shí)間；φf為流量修正系數(shù)；S為炮口截面積；α為火藥氣體余容；ω為裝藥量；k為比熱比。

赫雷[2]采用了勃拉文經(jīng)驗(yàn)公式來描述前發(fā)彈丸火藥氣體排空過程中壓力的變化為

(2)

式中：β為后效系數(shù)；vg為彈丸炮口速度。

但這兩個(gè)公式計(jì)算的只是定容管內(nèi)火藥氣體排空時(shí)平均壓力的變化，并沒有考慮后發(fā)彈丸運(yùn)動(dòng)對彈前火藥氣體的影響，計(jì)算得到的彈前平均壓力隨時(shí)間單調(diào)遞減，與實(shí)際情況存在較大誤差。

張小兵等[3]雖然考慮了后發(fā)彈丸運(yùn)動(dòng)對彈前火藥氣體的影響，但得到的還是彈前管內(nèi)氣體的平均壓力，而使用平均壓力表示的彈丸運(yùn)動(dòng)方程與實(shí)際情況存在差異。

張培忠等[4]建立了超高射頻火炮后效期耦合方程，但其是以管內(nèi)氣體密度均勻分布為假設(shè)前提的，而此假設(shè)是比例膨脹假設(shè)的充分條件[5]，然而明顯地，后發(fā)彈丸的運(yùn)動(dòng)對于彈前氣體是一個(gè)壓縮的過程，因此通過后效期耦合方程計(jì)算得到的彈頭阻力的準(zhǔn)確性還有待商榷。

綜上所述，目前超高射頻火炮后發(fā)彈丸彈頭阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步提高。

FLUENT軟件是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的計(jì)算流體力學(xué)軟件之一，能夠相當(dāng)精確地模擬膛內(nèi)高溫高壓火藥氣體噴出炮口產(chǎn)生的膛內(nèi)流場[6-7]，但是彈丸發(fā)射時(shí)膛內(nèi)火藥顆粒的燃燒是一個(gè)高溫高壓強(qiáng)瞬態(tài)強(qiáng)相互作用的多相燃燒流動(dòng)過程，F(xiàn)LUENT軟件對這一過程的模擬還存在很多困難，而經(jīng)典內(nèi)彈道(CIB)模型對此過程的數(shù)值模擬已經(jīng)較為成熟準(zhǔn)確。因此本文利用二次開發(fā)工具UDF將FLUENT軟件和CIB模型雙向耦合計(jì)算超高射頻火炮彈前流場，對超高射頻火炮第2發(fā)彈丸的內(nèi)彈道過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析不同射擊頻率下第2發(fā)彈丸彈頭阻力的變化規(guī)律。

1　超高射頻火炮內(nèi)彈道過程模擬方法

超高射頻火炮串聯(lián)發(fā)射時(shí)，不同于第2發(fā)及后續(xù)彈丸在發(fā)射過程中可能受到前發(fā)彈丸火藥氣體的影響，第1發(fā)彈丸的彈前流場就是普通大氣環(huán)境，此外因?yàn)楸疚牟豢紤]同時(shí)有兩發(fā)彈丸在身管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的極端情況，所以第1發(fā)彈丸的內(nèi)彈道過程與常規(guī)火炮彈丸的內(nèi)彈道過程是一樣的，對其發(fā)射過程的數(shù)值模擬僅使用內(nèi)彈道計(jì)算程序就能夠獲得較精確的結(jié)果。因此在超高射頻火炮內(nèi)彈道過程數(shù)值模擬中，第1發(fā)彈丸的內(nèi)彈道過程使用內(nèi)彈道計(jì)算程序進(jìn)行模擬，第2發(fā)及后續(xù)彈丸才使用FLUENT-CIB模型雙向耦合方法進(jìn)行內(nèi)彈道過程計(jì)算。

1.1FLUENT-CIB雙向耦合方法

超高射頻火炮FLUENT-CIB耦合計(jì)算是非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，每個(gè)計(jì)算時(shí)間步FLUENT-CIB模型之間都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于CIB計(jì)算程序計(jì)算的是零維模型，F(xiàn)LUENT計(jì)算的彈前流場是二維軸對稱模型，因此在每一個(gè)時(shí)間步計(jì)算之前，內(nèi)彈道程序通過UDF模型將彈丸瞬時(shí)速度傳遞給FLUENT，作為移動(dòng)邊界的移動(dòng)速度，進(jìn)行彈前流場的迭代計(jì)算，當(dāng)殘差滿足收斂條件后，使用循環(huán)宏函數(shù)對彈丸頭部火藥氣體的壓力進(jìn)行積分，求得彈頭阻力帶入U(xiǎn)DF中的內(nèi)彈道計(jì)算程序，求解超高射頻火炮內(nèi)彈道方程組，得到彈丸行程、瞬時(shí)速度等內(nèi)彈道參數(shù)，如果彈丸未出炮口，則繼續(xù)將彈丸瞬時(shí)速度傳遞給FLUENT，進(jìn)行彈前流場的迭代計(jì)算，……，如此循環(huán)，直到彈丸出炮口。整個(gè)雙向耦合過程中內(nèi)彈道程序和FLUENT軟件的計(jì)算時(shí)間步長始終保持一致，計(jì)算流程如圖2所示。

圖2　FLUENT-CIB模型雙向耦合計(jì)算流程圖Fig.2　　　　Flow chart of FLUENT and CIB model two-way coupling

1.2超高射頻火炮內(nèi)彈道模型與計(jì)算方法

本文采用彈丸運(yùn)動(dòng)方程使用彈底壓力和彈頭阻力計(jì)算的超高射頻火炮CIB模型為

(3)

式中：i為彈丸編號；ψ為火藥已燃百分?jǐn)?shù)；χ、λ、μ為火藥形狀特征量；Z為火藥已燃相對厚度；u1為燃速系數(shù)；e1為弧厚；n為燃速指數(shù)；v為彈丸速度；φ為次要功系數(shù)；m為彈丸質(zhì)量；l為彈丸行程長，其中l(wèi)i+1為第i+1發(fā)彈丸行程長，本文不考慮同時(shí)有兩發(fā)彈丸在身管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的極端情況，因此li+1=0；lψ為藥室自由容積縮徑長；f為火藥力；θ=k-1；pd,i為第i發(fā)彈丸彈底壓力，可由平均壓力pi根據(jù)拉格朗日假設(shè)換算得到；pf,i為第i發(fā)彈丸彈頭阻力，其中第2發(fā)及后續(xù)彈丸的彈頭阻力由FLUENT對彈丸頭部各個(gè)網(wǎng)格面上的壓力進(jìn)行積分獲得，通過UDF傳遞給內(nèi)彈道程序，而為使內(nèi)彈道模型的形式統(tǒng)一，令僅使用內(nèi)彈道程序計(jì)算發(fā)射過程的第1發(fā)彈丸的彈頭阻力始終為0.

超高射頻火炮CIB模型采用4階龍格- 庫塔方法求解。

1.3超高射頻火炮彈前流場數(shù)值模擬方法

1.3.1超高射頻火炮彈前流場計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

圖3　超高射頻火炮彈前流場示意圖Fig.3　Flow field in front of projectile

超高射頻火炮彈前流場如圖3所示，由于彈前流場可認(rèn)為是二維軸對稱的，因此計(jì)算區(qū)域可以取圖3所示的一半，考慮到彈丸頭部的形狀，整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖4所示。超高射頻火炮彈前流場計(jì)算過程中，彈丸根據(jù)UDF中內(nèi)彈道程序計(jì)算得到的速度向前運(yùn)動(dòng)，存在移動(dòng)邊界，因此需要進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格的計(jì)算，本文選用局部重劃法將計(jì)算動(dòng)網(wǎng)格過程中畸變率過大，或尺寸變化過于激烈的網(wǎng)格集中在一起進(jìn)行局部網(wǎng)格的重新劃分。

圖4　超高射頻火炮彈丸頭部和炮口網(wǎng)格劃分Fig.4　Mesh generation nearby projectile nose and muzzle

1.3.2超高射頻火炮彈前流場計(jì)算方法

超高射頻火炮彈前流場火藥氣體運(yùn)動(dòng)過程是高溫、高壓強(qiáng)瞬態(tài)過程，使用FLUENT軟件的密度基求解器進(jìn)行求解計(jì)算。

超高射頻火炮彈前流場計(jì)算區(qū)域中彈丸頭部和身管壁面為固壁邊界條件，對稱軸為軸對稱邊界條件。較高射頻發(fā)射時(shí)，第2發(fā)彈丸發(fā)射過程中炮口處前發(fā)彈丸火藥氣體為超音速流動(dòng)，參考火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管流場數(shù)值模擬方法，將炮口邊界設(shè)為壓力出口邊界條件。超高射頻火炮彈前流場初始條件為前一發(fā)彈丸出炮口瞬間的膛內(nèi)壓力、溫度、速度分布，根據(jù)CIB理論中的拉格朗日假設(shè)，在膛內(nèi)射擊過程中彈后空間的混合氣體密度是均勻分布的，由此假設(shè)可得彈后空間的流速是線性分布的，壓力分布是拋物線分布的，再根據(jù)諾貝爾- 阿貝爾狀態(tài)方程可得溫度分布也是拋物線分布的。

2　超高射頻火炮內(nèi)彈道過程計(jì)算實(shí)例

針對某口徑超高射頻火炮實(shí)驗(yàn)，單管射擊頻率15 000發(fā)/min，使用斯魯哈斯基公式計(jì)算彈前平均壓力的內(nèi)彈道計(jì)算程序(常規(guī)計(jì)算)和本文的FLUENT-CIB模型耦合計(jì)算(耦合計(jì)算)得到的第2發(fā)彈丸的最大膛壓ptm和初速vg如表1所示。常規(guī)計(jì)算中由于斯魯哈斯基公式得到的彈前平均壓力隨時(shí)間一直在減小，與實(shí)際存在一定差異，計(jì)算得到的最大膛壓偏低，但是初速卻偏高了。相對而言耦合計(jì)算得到的最大膛壓和初速都更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這說明FLUENT-CIB模型耦合計(jì)算對超高射頻火炮內(nèi)彈道過程的計(jì)算結(jié)果是正確可信的。

表1　某超高射頻火炮第2發(fā)彈丸實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果

下面以某30 mm口徑火炮的參數(shù)為基礎(chǔ)，使用FLUENT-CIB模型耦合計(jì)算，對不同射擊頻率下，兩發(fā)彈丸串聯(lián)發(fā)射過程進(jìn)行數(shù)值模擬。兩發(fā)彈丸行程長分別為1.1 m和1.45 m，其他內(nèi)彈道計(jì)算參數(shù)一致。以第1發(fā)彈丸出炮口時(shí)刻作為零時(shí)刻，第1發(fā)彈丸彈底初始位置為坐標(biāo)零位置。

2.1射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)的計(jì)算結(jié)果分析

第1發(fā)彈丸的內(nèi)彈道過程時(shí)間為2.72 ms，當(dāng)射擊頻率為20 000發(fā)/min，即兩發(fā)彈丸點(diǎn)火間隔為3 ms時(shí)，則內(nèi)彈道計(jì)算程序開始計(jì)算第2發(fā)彈丸內(nèi)彈道過程的時(shí)刻為3 ms-2.72 ms=0.28 ms，由于受到彈頭阻力作用，第2發(fā)彈丸在0.57 ms時(shí)才開始運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。從圖5中可以看到第2發(fā)彈丸由于受到彈頭阻力的作用，速度曲線明顯與第1發(fā)彈丸的速度曲線不一致。

圖5　射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)兩發(fā)彈丸的速度曲線Fig.5　　　　Velocity curves of two projectiles at the firing rate of 20 000 rounds per minute

圖6　　　　射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)第2發(fā)彈丸不同時(shí)刻彈前流場壓力云圖Fig.6　Pressure contour of flow field in front of second projectile at different times at firing rate of 20 000 rounds per minute

圖7　　　　射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)第2發(fā)彈丸彈頭阻力曲線Fig.7　　　　Curve of nose drag force of the second projectile at the firing rate of 20 000 rounds per minute

第2發(fā)彈丸彈前流場不同時(shí)刻的壓力分布云圖如圖6所示，彈頭阻力隨時(shí)間和位置變化的曲線如圖7所示。圖6清楚地顯示了各個(gè)階段身管內(nèi)彈前火藥氣體壓力分布和彈頭阻力的變化過程：

1)彈丸沒有啟動(dòng)時(shí)，整個(gè)身管內(nèi)彈前火藥氣體壓力處處隨時(shí)間減小，且越靠近炮口處，壓力減小越快，因此彈頭阻力也在逐漸減小。

2)彈丸啟動(dòng)后，在1.5 ms時(shí)，彈丸行程較短，雖然此時(shí)身管內(nèi)大部分區(qū)域的彈前火藥氣體壓力還在持續(xù)減小，但是靠近彈丸頭部區(qū)域的火藥氣體壓力卻在增大，使得彈頭阻力相比1.0 ms時(shí)增加了。

3)2.0 ms時(shí)，隨著彈丸的加速推進(jìn)，彈頭阻力繼續(xù)增加，身管內(nèi)大部分區(qū)域的彈前火藥氣體壓力增加，只有靠近炮口處的火藥氣體壓力稍微有所減小。

4)2.5 ms時(shí)，雖然受到彈丸運(yùn)動(dòng)影響整個(gè)身管內(nèi)各個(gè)位置上的彈前火藥氣體壓力相比2.0 ms時(shí)增加了，但是彈頭阻力卻逐漸減小。

5) 3.0 ms后，身管內(nèi)各個(gè)位置上的彈前火藥氣體壓力和彈頭阻力相比2.5 ms時(shí)都在減小。

圖7中的彈頭阻力曲線進(jìn)一步顯示了圖6反映的彈頭阻力變化規(guī)律：彈丸啟動(dòng)前，彈頭阻力逐漸減小；彈丸啟動(dòng)后，彈頭阻力很快由減小變成增大，增大到某個(gè)極大值后又逐漸減小，直到彈丸出炮口。

以上超高射頻火炮第2發(fā)彈丸彈前壓力分布和彈頭阻力的變化規(guī)律在目前已公開的超高射頻火炮研究文獻(xiàn)中還未有相關(guān)仿真結(jié)果所反映，但是相關(guān)學(xué)科文獻(xiàn)中的一些仿真結(jié)果反映了與之相似的變化規(guī)律[8-9]，體現(xiàn)了這一變化規(guī)律的普遍性。下面就超高射頻火炮第2發(fā)彈丸彈頭阻力變化規(guī)律的成因進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖8和圖9分別為不同時(shí)刻第2發(fā)彈丸彈前流場軸向速度分布和彈前軸線上速度曲線及彈丸速度曲線，可以反映彈丸運(yùn)動(dòng)引起彈頭阻力變化的過程。

圖8　　　　射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)第2發(fā)彈丸不同時(shí)刻彈前流場速度云圖Fig.8　Velocity contour of flow field in front of the second projectile at different times at the firing rate of 20 000 rounds per minute

圖9　射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)第2發(fā)不同時(shí)刻彈前流場軸線上氣體速度- 位置曲線和彈丸速度- 位置曲線Fig.9　Gas velocity-position curves on the axes of flow field in front of the second projectile at different times at the firing rate of 20 000 rounds per minute and projectile velocity-position curve

初始時(shí)彈丸速度為0或較小，小于彈頭附近氣體速度，彈頭附近氣體膨脹，使得彈頭阻力逐漸減小，如圖8和圖9中1.0 ms前的計(jì)算結(jié)果所示。但是隨著彈丸速度增大，超過彈頭附近氣體速度以后，開始壓縮彈頭附近氣體，引起彈頭阻力的增加，如圖8中1.5 ms和圖9中1.4 ms時(shí)的結(jié)果。然而一段時(shí)間以后，彈丸速度再次小于彈頭附近氣體速度，導(dǎo)致彈頭阻力在達(dá)到極大值后又開始減小，直到彈丸出炮口，如圖8中2.0 ms后和圖9中1.8 ms后的結(jié)果。

圖10為不同時(shí)刻第2發(fā)彈丸彈前流場馬赫數(shù)分布，從中可以看到超音速區(qū)域主要是在炮口附近以及內(nèi)彈道過程后期彈丸頭部靠近管壁處，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，第2發(fā)彈丸彈前沒有出現(xiàn)激波。

圖10　　　　射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)第2發(fā)彈丸不同時(shí)刻彈前流場馬赫數(shù)云圖Fig.10　Mach number contour of flow field in front of the second projectile at different times at the firing rate of 20 000 rounds per minute

圖11為不同時(shí)刻第2發(fā)彈丸彈前流場溫度分布，從中可以看到溫度分布與圖6的壓力分布是對應(yīng)的。

圖11　　　　射擊頻率20 000發(fā)/min時(shí)第2發(fā)彈丸不同時(shí)刻彈前流場溫度云圖Fig.11　Temperature contour of flow field in front of the second projectile at different times at the firing rate of 20 000 rounds per minute

2.2不同射擊頻率時(shí)的計(jì)算結(jié)果分析

使用FLUENT-CIB模型耦合算法分別對射擊頻率分別為15 000發(fā)/min、12 000發(fā)/min、10 000發(fā)/min，即兩發(fā)彈丸點(diǎn)火間隔為4 ms、5 ms、6 ms時(shí)的彈前流場進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算彈頭阻力。相應(yīng)地，內(nèi)彈道程序開始計(jì)算第2發(fā)彈丸內(nèi)彈道過程的時(shí)刻分別為1.28 ms、2.28 ms和3.28 ms，各個(gè)射擊頻率下的計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12　　　　不同射擊頻率下第2發(fā)彈丸彈頭阻力、彈底壓力、彈丸速度曲線Fig.12　Curves of nose drag force, projectile base pressure and projectile velocity of the second projectile at different firing rates

從圖12(a)和圖12(b)可以看出第2發(fā)彈丸彈頭阻力的增加是由彈丸的運(yùn)動(dòng)所引起的，彈頭阻力先減小、再增大、最后又減小的變化規(guī)律在各種不同射擊頻率的情況下都是普遍存在的。

射擊頻率越低，彈丸啟動(dòng)時(shí)刻的彈頭阻力越小(見圖12(b))，最大彈底壓力也越小(見圖12(c))，同時(shí)彈底壓力與彈頭阻力差值也小，彈丸加速稍慢(見圖12(d))，與彈丸啟動(dòng)時(shí)較小的彈頭阻力一起導(dǎo)致彈頭阻力的增幅減小(見圖12(a)、圖12(b))。

在發(fā)射后期隨著彈底壓力趨于一致(見圖12(c))，由于射擊頻率越低時(shí)，彈頭阻力也越低(見圖12(b))，第2發(fā)彈丸加速越快(見圖12(d))，使得彈頭阻力的降幅減緩(見圖12(a)、圖12(b))。

3　結(jié)論

在超高射頻火炮內(nèi)彈道過程數(shù)值模擬研究中，彈頭阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性直接決定了整個(gè)超高射頻火炮內(nèi)彈道數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，針對前人在彈頭阻力數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確度上存在的不足，本文利用二次開發(fā)工具UDF將FLUENT軟件和CIB模型雙向耦合計(jì)算超高射頻火炮彈前流場，模擬了超高射頻火炮第2發(fā)彈丸的內(nèi)彈道過程，分析了不同射擊頻率下第2發(fā)彈丸彈頭阻力的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1) 雙向耦合FLUENT和CIB模型計(jì)算超高射頻火炮發(fā)射過程中的彈前流場是可行的，能夠得到彈前身管內(nèi)各個(gè)時(shí)刻火藥氣體的流場變化，提高了彈頭阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2) 在彈丸未啟動(dòng)時(shí)彈頭阻力是逐漸減小的，但在彈丸啟動(dòng)后，受到彈丸的運(yùn)動(dòng)的影響，彈頭阻力很快由減小變成增大，增大到某個(gè)極大值后又逐漸減小，直到彈丸出炮口，彈頭阻力的這個(gè)變化規(guī)律在不同射擊頻率的情況下都是普遍存在的。

3) 隨著射擊頻率降低，在彈丸運(yùn)動(dòng)前期，彈頭阻力增幅減小，在彈丸運(yùn)動(dòng)后期，彈頭阻力的降幅也減小。

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Simulation for Launch Process of Ultrahigh Firing Rate Guns Based on Two-way Coupling of FLUENT and Interior Ballistic Model

LUO Qiao, ZHANG Xiao-bing

(School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

The numerical simulation accuracy of interior ballistics of ultrahigh firing rate guns depends on the accuracy of calculating the drag force acting on projectile nose. In order to improve the numerical simulation accuracy of interior ballistics of ultrahigh firing rate gun, the secondary development tool UDF is used to couple FLUENT and the classic interior ballistic (CIB) model for the calculation of flow field in front of projectile. The nose drag force of the second launched projectile is obtained, and the variation law of nose drag force at different firing rates is analyzed. The simulated results show that the propellant gas flow field distribution can be obtained by the two-way coupling of FLUENT and CIB model, and the accuracy of calculating the nose drag force is improved. The nose drag force increases quickly after launching, and then decreases after it reaches a maximum value until the projectile leaves the muzzle. This variation law is common at different firing rates. When the firing rate reduces, the increased amplitude of nose drag force decreases at the earlier stage of projectile movement, and its decreased amplitude also decreases at the later stage of projectile movement.

ordnance science and technology; interior ballistics; ultrahigh firing rate gun; numerical simulation; FLUENT; two-way coupling

2016-03-01

瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C300206120C30110)

羅喬(1988—)，男，博士研究生。E-mail：luoqiao6272@163.com；

張小兵(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：zhangxb680504@163.com

TJ012.1

A

1000-1093(2016)10-1949-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.10.023