CN114218833B - 一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。该方法包括：建立二级轻气炮装置的几何模型；基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；采用有限体积方法对流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；采用有限元方法对固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；采用有限体积法或有限元方法对耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度。本发明对于流场的计算采用了高阶格式，可高精度捕捉到气体的可压缩效应，固场计算采用了混合增强有限元方法，提高了计算的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及流场性能预测技术领域，特别是涉及一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。
背景技术
无论是在军事领域还是在民用领域，对弹丸发射速度的需求是长期广泛存在的。随着科技的发展，对于弹丸的出膛速度也提出了越来越高的需求。如民用领域中通过超高速弹丸撞击太空中航天器产生的碎片和垃圾，减小航天器运行过程中的风险；在军用领域中，弹丸速度越高其动能侵彻性能越好。但另一方面，弹丸速度的提升对材料的强度、耐热性、结构的气动性能等都提出了更高的要求。二级轻气炮是一种利用气体膨胀做功推动活塞在泵管中运动，活塞压缩气体推动弹丸使弹丸获得极高速度的发射系统。该系统具有高通用性、广泛应用领域、弹丸速度高的优势，同时对弹丸材料要求不高，能够让弹丸在承受较小应力和加速度的前提下获得较高的加速度。
对二级轻气炮内流场性能进行预测的方法主要有两种：
一种是基于实验测量的方法，通过在内流场某些部位加装压力传感器和磁测速传感器，获得压力信号和弹丸速度信号，测量爆轰波压力和弹丸速度；该方法的主要缺点是：(1)无法获得二级轻气炮内流场全三维全流场性能参数；(2)需要专门的场地开展实验；(3)需要占用大量的人力、物力和财力；(4)实验的周期长，同时会经常出现失败情况，需要反复进行实验，进一步增加成本；(5)测试过程中很多不确定性因素无法控制，因此获得的实验结果有时与真实过程存在一定的差别。
另一种是基于理论和数值模拟的计算方法。对于理论计算来说，存在的主要缺点是：(1)简化假设较多，与实际物理过程相差较大；(2)理论计算只能获得最终的结果和结论，无法获得轻气炮内流场动力学过程中的细节，无法动态捕捉活塞和弹丸运动过程中的典型现象，预估的结果与实际经常存在较大的差别；(3)理论计算分析依赖于实验的结果，实验无法捕捉到的现象，在进行机理分析的过程中就会存在盲点，影响理论模型的准确性；(4)理论模型中通常包含有很多人工参量，预测结果的精度与这些人工参量息息相关，影响结果的客观性。对于现有的数值模拟来说，主要存在的缺点是：(1)仅能对二级轻气炮内流场热-流-固多场耦合中的某一特定物理场进行计算，无法实现多场耦合计算，如采用计算流体力学对内流场中气体的可压缩过程进行数值模拟，弹丸和活塞仅考虑成刚体进行运动，无法获得弹丸和活塞的运动变形过程；(2)现有的数值模拟主要停留在一维，仅能获得气流场在沿管道方向的变化，无法获得管道内激波的形成与反射等三维现象。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种二级轻气炮内流场性能预测方法，包括：
建立二级轻气炮装置的几何模型；
基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；
采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；
采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；
采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度。
可选地，所述流体力学模型包括：流体运动的N-S方程、湍流模型、固体推进剂燃烧模型、含能气体化学反应模型、描述反应物与产物混合流动的组分输运模型、气体可压缩状态方程以及流场内的热传导模型。
可选地，所述固体力学物理模型包括：固体的变形运动方程、描述界面演变的ALE连续介质力学模型、固体结构本构模型、加载体-壁面摩擦模型以及固体结构内的热传导模型。
可选地，所述流场与固场之间的耦合模型包括耦合作用力传递模型、耦合传热模型、流场与固场的耦合边界条件以及流场、固场各自的边界力施加模型。
可选地，所述采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度，具体包括：
在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；
在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度。
本发明还提供了一种二级轻气炮内流场性能预测系统，包括：
几何模型建立模块，用于建立二级轻气炮装置的几何模型；
物理模型建立模块，用于基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；
第一求解模块，用于采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；
第二求解模块，用于采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；
第三求解模块，用于采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度
可选地，所述第三求解模块具体包括：
第一求解单元，用于在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；
第二求解单元，用于在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提出了一种二级轻气炮内流场性能预测方法及系统，集合了计算流体力学、计算固体力学和热传导等学科知识，采用计算机计算的方式完成，可以获得二级轻气炮内流场气体、活塞和弹丸运动过程中的所有细节，再现整个物理过程，一方面克服了传统实验方法的缺陷，无需花费大量的人力物力和财力，仅需要计算机即可完成，可多次重复，不会受到外界因素的干扰；另一方面克服了传统理论预测方法和低维度单一数值方法的不足，其既可以获得最终的预测结果，同时可实时再现整个内流场细节，深入分析其中的激波形成机理、温度升高规律、活塞变形运动机理以及弹丸运动出膛机理等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例二级轻气炮内流场性能预测方法流程图；
图2为本发明实施例二级轻气炮内流场性能预测方法实施过程流程图；
图3为二级轻气炮装置几何模型与网格划分实施流程；
图4为弹丸发射过程中流场与固场数值计算的物理模型建立流程；
图5为多方法耦合数值模拟方法流程；
图6为二级轻气炮几何模型结构示意图；
图7为不同时刻活塞运动位置和相应流场压力分布图；
图8为活塞后部温度和压力分布；
图9为活塞速度变化曲线；
图10为高压气室内压力随时间变化曲线；
图11为泵管内压力与温度随时间变化曲线；
图12为弹体速度随时间变化曲线；
图13为计算过程中活塞运动造成的网格动态变化过程。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-2所示，本发明提供的一种二级轻气炮内流场性能预测方法，包括以下步骤：
步骤101：建立二级轻气炮装置的几何模型。
根据实际二级轻气炮装置的几何构型及其所处的初始条件和环境条件，建立二级轻气炮装置、初始燃烧室弹药材料、二级轻气炮装置内流场空间结构、弹丸出膛后的流场结构、加载体结构等几何模型，再采用网格划分软件对几何模型进行网格划分，做好流场结构与固场结构的区分与耦合。
二级轻气炮装置几何模型建立流程如图3所示。二级轻气炮装置的几何模型建立采用商业软件完成，通过商业软件建立三维几何模型，再导入网格划分软件，进行细致均匀的网格划分，最后网格文件导入到程序中进行计算，具体过程为：
1)模型结构分析，针对本发明中所涉及的三种驱动方式的加载装置，分别进行结构分析，提取模型的主要特征，忽略一些影响较小的因素，确定实际所建立模型的尺寸和结构；
2)几何模型的建立：采用西门子公司开发的CAD软件SolidWorks或PTC公司开发的CAD软件ProE完成，模型包括二维模型和三维模型，所建模型与实际装置部件组成相差不大于15％；
3)在几何模型建立的基础上，对模型进行网格划分：对于模型网格生成，采用功能强大的CAE应用软件包—Hypermesh软件完成。在网格划分的过程中区分流场网格与固体网格，均采用结构化网格进行剖分；
4)将步骤3)划分后形成的网格文件导入到自编程序中进行网格识别和计算。
步骤102：基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型。
如图4所示，根据实际的物理过程建立高保真的物理模型，本发明以同时获得二级轻气炮装置发射过程中的流场细节和固体变形运动细节为目标，因此建立流场的流体力学模型和固场的固体力学物理模型。本发明中建立的流体力学模型包括：流体运动的N-S方程(采用基于密度的可压缩NS方程)、湍流模型(采用LES大涡模拟和RANS湍流模型)、固体推进剂燃烧模型(动态燃烧模型)、含能气体化学反应模型(EBU-Arrhenius湍流燃烧模型)、描述反应物与产物混合流动的组分输运模型、气体可压缩状态方程以及流场内的热传导模型等；对于建立的固体力学模型包括：固体的变形运动方程、描述界面演变的ALE连续介质力学模型、固体本构模型、加载体与壁面之间的摩擦模型、固体结构内的热传导模型等；同时，还需要建立流场与固场之间的耦合模型，包括耦合作用力传递模型、耦合传热模型、流场与固场的耦合边界条件以及流场、固场各自的边界力施加模型等。
流体力学模型公式如下：
式中：
守恒项可表示为：
ρ为气体的密度，u,v,w分别为气体在x,y,z三个方向的速度，E为气体的内能。
对流项可表示为:
对流项中的速度V在动网格中表示为：
V＝nxu+nyv+nzw-Vt (4)
网格移动速度：
式中nx，ny，nz分别表示网格表面外法向的三个坐标上的分量，p为气体的内压。
粘性项可表示为：
τxx，τxy，τxz，τyx，τyy，τyz，τzx，τzy，τzz分别为粘性应力的九个分量。
式中Θx，Θy，Θz可表示为：
T为温度值。在大涡模拟模型中，粘性应力τij表示为：
式中的应变率张量Si,j表示为：
表示亚格子应力。在RANS方程中，ESGS，/>忽略计算。
动力黏度μ和热导率k都由层流部分和湍流部分组成：
μ＝μL+μT (10)
下标L表征的是层流，T表征的是湍流。Pr表示Prandl数。
方程的源项可表示为：
其中fe,x，fe,y，fe,z为/>在三个方向的分量。/>为重力加速度，/>表示外部加速度。
固体力学物理模型如下：
平衡方程：σij,j+fi-ρui,tt-μui,t＝0(在Ω域内) (13)
几何方程：(在Ω域内) (14)
物理方程：σij＝Dijklεkl(在Ω域内) (15)
i和j分别表征x,y,z三个方向，σij,j为应力分量在不同方向的梯度，fi为在i方向的外力，ρ为固体的密度，u为固体的速度。ui,t和ui,tt分别表示位移对速度的一阶导数和二阶导数，即速度和加速度。ε为应变。
耦合模型：
假定ps表示结构上的压力，pf表示界面处流体压力，目标为：
ps(x)＝pf(x) (16)
该等式可采用加权余量法满足。其在两边乘以一组权重函数{Wi}，再在整个界面Γ上积分，可得：
∫ΓWipsdΓ＝∫ΓWipfdΓ (17)
步骤103：采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度。
有限体积方法对流体力学模型(1)-(12)进行空间离散的基本思想就是将积分形式的流体力学模型直接应用到每一个划分好的网格单元上，通过插值和差分的办法计算通量项，将积分方程转化为以网格单元中心物理量为未知量的代数离散方程组进行求解。
粘性项的计算是通过计算流过表面的粘性通量来得到，这就要计算控制体表面的物理量，其通过与该表面相接的两个控制体中心物理量插值得到：
式中物理量U可以表示守恒变量ρ、ρu、ρv、ρw、ρE，也可以表示其他变量如速度u、v、w，温度T，压强p，声速c，气体常数M(摩尔质量)和Cp(等压摩尔热容)。
对流项的离散有两种选择：含有标量人工耗散的二阶Jameson中心格式和一、二阶Roe迎风格式。
步骤104：采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度。
具体是采用显式中心差分时间步迭代计算，求得结构的位移、速度、加速度的更新格式如下所示：
结构速度：
结构位移：
结构加速度：
(21)式中，M表示集中质量矩阵，通常与质量矩阵保持一致。为内力矢量，/>为外力矢量。
而网格位移，速度及加速度分别表示为：
步骤105：采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度。在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度。
(1)耦合模型中载荷传递计算公式：
采用有限元法求解压力如下：
式中，表示相应的单元节点j处固体和流体的压力估计值。
在方程(17)中采用Galerkin法将(23)式代入计算，可得：
上式中对左边积分可得固体界面单元的相容质量矩阵Mcs，为求解该式，对于固体压力质量矩阵转换成：
定义：
由形函数的总和特性：
可得：
(2)耦合模型中位移传递计算公式：
对于非守恒量，如位移、速度等，采用标准的非守恒插值方法：若被插值的点si位于单元的节点上，目标参量t通过局部坐标u和v确定：
常用插值函数为：
其中，Ni为耦合参量的点所在单元的形函数。
本发明中既涉及流场计算又涉及固场计算，采用单一一种数值方法已经完全不能满足仿真要求，因此，本发明采用多方法相耦合的数值模拟技术进行仿真计算。如图5所示，流场区域采用有限体积方法离散求解，采用五阶WENO重构方法，构造得到子单元上的重构多项式，再利用Gauss积分公式进行空间离散，时间离散则采取三阶Runge-Kutta TVD方法，最终得到五阶精度的全离散WENO格式。对于加载体运动过程中网格的运动问题，流场采用多块结构化动网格技术。在流场求解中，并行计算基于多块结构化网格的物理区域分割方法，采用MPI实现消息传递。
固场区域采用显式动力学有限元方法离散求解，采用八节点六面体结构化网格离散，为提高计算的精度，采用混合增强有限元进行求解，在每个单元上采用八节点的高斯积分方法进行空间积分，固体的变形运动采用结构动网格方法。固场求解中，采用区域分解方法把计算区域分割成若干独立的规模较小的子区域，使原问题的求解转化为各子区域上子问题的求解，从而进行大规模高性能计算。
对于流场和固场由于采用了分离解法，各模块界面网格可能并不完全匹配，在各模块之间数据传递时需要根据数据类型设计合理的数据传递算法来保证数值精度和物理量的守恒性。特别是对于非定常耦合计算，数据传递过程需要重复进行多次，误差通常会随着迭代过程而进行累计，因此，设计合理的数据传递方法便显得尤为重要。采用耦合界面网格匹配技术，建立网格节点与单元的匹配关系，再选择合适的插值算法来实现耦合界面之间的数据交换。插值数据分为：非守恒量和守恒量。
对离散方程组编写程序进行实现：
具体程序实现流程如下：
1)由Hypermesh等软件获得流场多块结构化网格文件、拓扑文件、以及结构网格文件，并编写主控文件和各子模块控制文件，设置边界条件、物理模型、物理参数计算要素。
2)根据步骤1)设置的计算要素，对流场和结构场进行初始化，初始化的数据等于计算要素的数据。
3)根据步骤1)输入进来的网格文件以及步骤2)的初始化的数据，通过建立源面单元与目标点的关系，结合最小距离判断标准，再采用搜索算法(均为现有技术)，建立流场-结构界面网格的耦合配对关系。
4)在步骤3)获得的流场-结构界面网格耦合匹配关系的基础上，采用时间外插方法，获得流场给结构施加的位移边界条件和作用力边界条件；
5)在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法(现有技术)，计算获得固体结构域tn+1时刻在流场载荷作用下的形变、位移和速度，并保存结构tn+1时刻的界面上的这些数值(形变、位移和速度)。
6)将步骤5)计算得到的结构场在界面上的数值，基于步骤3)获得的流场-结构界面网格的耦合配对关系，将结构场界面数据传递至流场界面。
7)根据固场传递给流场的数据，采用有限体积方法(现有技术)，计算获得流场在tn+1时刻的速度、密度、加速度、温度数值，并保存流场tn+1时刻的界面数值。
8)将步骤7)计算得到的流场在界面上的数值，基于步骤3)获得的流场-结构界面网格的耦合配对关系，将流场界面数据传递至结构场界面。
9)进行预测－校正步收敛判断，若收敛则进行下一系统时间步进行计算，若没有收敛，转到步骤5)开始新的预测－校正步进行计算，直至收敛。当达到最大预测－校正步时，结果仍未收敛，结束计算。
10)按设置时间间隔要求分模块输出计算结果。计算至设置的最大物理时间，停止计算，输出最终计算结果。
数值仿真计算：
在给定材料参数、初始状态参数、边界条件等基础上，基于高性能计算平台，进行二级轻气炮弹丸发射全过程的仿真计算，获得从弹丸启动到发射出膛、膛内气体喷出的整体过程中，活塞启动、活塞进入锥形段变形到停止等过程，捕获加载装置基体承受后坐与冲击作用等细节，输出计算结果数据；
计算结果后处理及其与实验的对比验证：
对数值仿真计算得到的数据，采用后处理软件(Tecplot或Paraview)进行作图显示，获得加载体(活塞)运动的速度曲线、炮体的后坐与冲击作用曲线、装置内压力变化曲线、温度变化曲线、固体结构应变分布等信息，将这些数据信息与实验数据进行对比，假如误差较大则分析原因，通过改进模型、完善数值方法和调整人工参量等方法提高计算的准确度，直至计算结果满足精度要求；
结果分析：
基于上述步骤中的计算结果，分析获得影响二级轻气炮装置中加载体速度演变的主要因素，为后期对二级轻气炮装置结构进行改进完善、获得更加良好的加载体运动性能提供理论支撑；分析获得二级轻气炮装置在高压加载过程中所受到的反作用力以及装置的后坐位移和疲劳破坏等细节，指导后期设计优化加载装置使得后坐力更小、损伤破坏性更小。
本发明同时考虑了流场计算，又考虑了固场计算，还考虑了热传导作用计算，将热-流-固耦合问题集中在一套方法和程序中解决，不仅克服了传统数值方法仅能计算一种核心问题的不足，同时也摆脱了传统解决该问题需要同时采用流场计算软件和固场计算软件的复杂流程；另外，新技术中对于流场的计算采用了高阶格式，可高精度捕捉到气体的可压缩效应，固场计算采用了混合增强有限元方法，提高了计算的稳定性。
成功案例展示：
二级轻气炮几何模型如图6所示，是一种高压气体驱动的地面加载装置，利用左侧腔室内的高压氮气推动活塞，通过活塞压缩加热轻气体(氢气)，然后被压缩的轻气体再推动弹丸(模型与弹托的组合体)运动到所需速度。模型尺寸参数如下：左侧高压气室长度lc＝1160mm，高压气室直径dc＝350mm，中心泵管直径db＝100mm，泵管长度lb＝20m，活塞长度lp＝300mm，泵管锥形收缩段长度l2＝500mm，发射管直径df＝30mm，发射长度lf＝7m，活塞质量mp＝12kg，活塞材质为聚乙烯，弹体质量md＝0.1kg，弹体的材质为PC，左侧高压气室初始压力pc＝25MPa，中心泵管初始压力pb＝0.3MPa，从高压气室到泵管的过渡段锥角为60°，泵管内高压段锥角为30°，弹体释放压力值为60MPa。算例为二维和全三维相结合的方式(全部内弹道流场按照二维计算，典型部位如活塞在锥形段的挤压变形按照全三维计算)。
如图7所示，首先获得了活塞运动初始阶段压力动态变化过程二维数据，通过不同时刻的活塞位置以及由此压缩泵管产生的压力升高现象，可以看出活塞运动过程中流场计算稳定，动网格在活塞运动的过程中重构较好，气体在活塞挤压过程中压力升高稳定，验证了计算方法的可靠性。为了捕获活塞在运动初期挤压气体造成气压上升的现象，而由于此时间段内活塞右侧气体压力较小，因此图7中将等值线的最大值设置的较小。为了进一步展示活塞在运动一定时间后，形成的气体压力上升的结果，本发明以活塞为参考系，继续捕捉了活塞后部温度和压力分布随时间变化过程，这时等值线设置更为合理，更好的看到实际压力和温度的升高数值，如图8中(a)所示，温度最大值已经升高到了430K以上，如图8中(b)所示压力最大值已经升高到了85MPa以上，符合实际。另外，由于管道尺寸较长，无法整体来展示活塞运动对气流场的影响，因此，都是取局部一个区域来展示。
图9为活塞速度变化曲线(检测点为活塞的质心)，可以看出活塞在初始阶段速度处于线性上升状态，达到将近500m/s的速度，而后缓慢下降，由于本算例中设置的活塞与管道壁面摩擦系数较小，活塞运动速度相对较大，在短时间内活塞速度还未降低到一定速度时便运动到锥形段，使得活塞的速度急剧降低，直至恢复静止。图10为计算获得的高压气室内压力随时间变化曲线，可以看出该压力基本上呈指数下降趋势，到达5MPa时基本处于稳定状态，主要是因为活塞在16ms时刻已经恢复静止状态，高压气室气体不再膨胀。
图12为泵管内压力、温度随时间变化曲线(监测点为弹体底部)，图11(a)可以看出泵管压力随时间呈先上升再下降的趋势，泵管内压力最大可达160MPa，由于弹体运动启动的压力为60MPa，而在60MPa后泵管压力仍然处于上升，主要原因是弹体在运动启动的过程中速度也是呈现从零逐渐升高的趋势，在弹体的速度未达到活塞的速度之前气流场仍处于压缩过程，压力、温度仍然在上升，直到弹体速度增加到一定数值后。另外，从图11(b)也可以看出，在压力升高到一定程度后会出现波动现象，温度场分布也是同样的趋势，主要原因是活塞在运动过程中压缩气体形成的压缩波到达弹体底部后会发生反射现象，而反射的冲击波到达活塞后再一次向弹体方向运动，这样冲击波在泵管内来回运动，造成压力、温度的脉动。
图12为弹体在高压气体的驱动下由静止逐渐加速的过程曲线，弹体速度最大可达到2107m/s，由于发射管管道较长，所以后面弹体速度加速基本趋于稳定。
图13为计算过程中活塞运动造成的网格动态变化过程，为了更好地体现项目组在动网格技术方面的优势以及多种策略选择性，本发明分别采用结构化动网格技术(如图(b)所示)和非结构化动网格技术(如图(a)所示)对活塞运动过程进行了数值模拟，图中展示了这两种方法下的网格重构过程，网格与固体结构匹配较好。
本发明还提供了一种二级轻气炮内流场性能预测系统，包括：
几何模型建立模块，用于建立二级轻气炮装置的几何模型；
物理模型建立模块，用于基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；
第一求解模块，用于采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；
第二求解模块，用于采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；
第三求解模块，用于采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度
所述第三求解模块具体包括：
第一求解单元，用于在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；
第二求解单元，用于在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种二级轻气炮内流场性能预测方法，其特征在于，包括：
建立二级轻气炮装置的几何模型；
基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；所述流体力学模型包括：流体运动的N-S方程、湍流模型、固体推进剂燃烧模型、含能气体化学反应模型、描述反应物与产物混合流动的组分输运模型、气体可压缩状态方程以及流场内的热传导模型；所述固体力学物理模型包括：固体的变形运动方程、描述界面演变的ALE连续介质力学模型、固体结构本构模型、加载体-壁面摩擦模型以及固体结构内的热传导模型；所述流场与固场之间的耦合模型包括耦合作用力传递模型、耦合传热模型、流场与固场的耦合边界条件以及流场、固场各自的边界力施加模型；
采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；具体包括：采用五阶WENO重构方法，构造得到子单元上的重构多项式，再利用Gauss积分公式进行空间离散，时间离散则采取三阶Runge-Kutta TVD方法，最终得到五阶精度的全离散WENO格式，对于加载体运动过程中网格的运动问题，流场采用多块结构化动网格技术，在流场求解中，并行计算基于多块结构化网格的物理区域分割方法，采用MPI实现消息传递；
采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；具体包括：采用混合增强有限元进行求解，在每个单元上采用八节点的高斯积分方法进行空间积分，固体的变形运动采用结构动网格方法，固场求解中，采用区域分解方法把计算区域分割成若干独立的规模较小的子区域，使原问题的求解转化为各子区域上子问题的求解；
采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度；具体包括：在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度；进一步地，采用耦合界面网格匹配技术，建立网格节点与单元的匹配关系，选择插值算法来实现耦合界面之间的数据交换，采用显式/显式紧耦合算法进行求解，并采用耦合系统并行计算方法。
2.一种二级轻气炮内流场性能预测系统，其特征在于，包括：
几何模型建立模块，用于建立二级轻气炮装置的几何模型；
物理模型建立模块，用于基于几何模型的边界条件建立描述弹丸发射过程中的物理模型；所述物理模型包括流场的流体力学模型、固场的固体力学物理模型以及流场与固场之间的耦合模型；所述流体力学模型包括：流体运动的N-S方程、湍流模型、固体推进剂燃烧模型、含能气体化学反应模型、描述反应物与产物混合流动的组分输运模型、气体可压缩状态方程以及流场内的热传导模型；所述固体力学物理模型包括：固体的变形运动方程、描述界面演变的ALE连续介质力学模型、固体结构本构模型、加载体-壁面摩擦模型以及固体结构内的热传导模型；所述流场与固场之间的耦合模型包括耦合作用力传递模型、耦合传热模型、流场与固场的耦合边界条件以及流场、固场各自的边界力施加模型；
第一求解模块，用于采用有限体积方法对所述流体力学模型进行离散求解，得到流场的密度、温度和速度；具体包括：采用五阶WENO重构方法，构造得到子单元上的重构多项式，再利用Gauss积分公式进行空间离散，时间离散则采取三阶Runge-Kutta TVD方法，最终得到五阶精度的全离散WENO格式，对于加载体运动过程中网格的运动问题，流场采用多块结构化动网格技术，在流场求解中，并行计算基于多块结构化网格的物理区域分割方法，采用MPI实现消息传递；
第二求解模块，用于采用有限元方法对所述固体力学物理模型离散求解，得到固场的形变、位移和速度；具体包括：采用混合增强有限元进行求解，在每个单元上采用八节点的高斯积分方法进行空间积分，固体的变形运动采用结构动网格方法，固场求解中，采用区域分解方法把计算区域分割成若干独立的规模较小的子区域，使原问题的求解转化为各子区域上子问题的求解；
第三求解模块，用于采用有限体积法或有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到流场的密度、温度和速度以及固场的形变、位移和速度；所述第三求解模块具体包括：第一求解单元，用于在流场施加给固场边界条件的基础上，采用有限元方法对所述耦合模型进行求解，得到固场在流场载荷作用下的形变、位移和速度；第二求解单元，用于在固场施加给流场边界条件的基础上，采用有限体积方法对所述耦合模型进行求解，得到流场在固场载荷作用下的密度、温度和速度；进一步地，采用耦合界面网格匹配技术，建立网格节点与单元的匹配关系，选择插值算法来实现耦合界面之间的数据交换，采用显式/显式紧耦合算法进行求解，并采用耦合系统并行计算方法。
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