CN117875223B - 一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，采用非结构混合网格，基于数值风洞软件及重叠网格技术实现轨道发射超高速弹丸全过程的流场、气动力及安全性评估。本发明将该过程的数值模拟分解为三个阶段，第一阶段为轨道内弹丸组件加速过程数值模拟；第二阶段为激波及弹丸组件出轨道过程数值模拟；第三阶段为弹托分离过程数值模拟。后一阶段的数值模拟必须在上一阶段的基础上才能实现，通过高精度数值传递技术实现相邻两阶段流场的衔接。通过三阶段的结合才能实现发射全过程流场、气动力的预测及分离安全性评估。
Description
技术领域
本发明涉及弹丸或目标载荷发射领域，特别是在有限空间内（例如轨道、隧道、发射井等）弹丸或目标载荷从零加速直至脱离发射装置继而分离整个过程气动安全性的评估方法。
背景技术
轨道发射超高速弹丸结构组成如图1所示，主要由轨道1、弹丸组件4（弹丸5、弹托3、适配器2）组成。弹丸组件在发射轨道内阻塞比极大、气动阻力大，到达发射出口时速度高、动压大，在出口附近弹丸组件分离，弹丸各部件激波非线性干扰严重。因此，对轨道发射超高速弹丸过程的轨道内及轨道出口附近流场及气动性能的准确预测，对轨道内力学性能评估分析、弹丸组件的安全可靠分离、弹丸的射击精度有着重要影响。
轨道发射超高速弹丸，弹丸组件及轨道间相互存在一定间隙，在轨道内加速运动过程这些间隙存在复杂的缝隙流动，实现缝隙流动的精细化非定常数值模拟对轨道内流场分布及气动力-时间历程变化影响巨大。
同时轨道发射超高速弹丸过程本身是一个复杂的多运动过程的非定常多体分离问题，若一次性实现该连续过程的数值模拟，不但网格数量巨大计算量大、周期长，弹丸组件运动到轨道出口附近时动压极大、流场激波复杂多变又与运动相耦合，计算十分难收敛，对网格质量要求很高。
这就导致现有技术无法高效精准的对轨道内加速过程、出轨道及弹托分离全过程流场及气动力进行可靠预测，同时也无法对弹托分离安全性及分离后弹丸姿态进行评估。
本方案中主要采用数值模拟进行相关计算，数值模拟就是对轨道发射超高速弹丸过程气动力及安全性评估的一种方法，国内外不少学者也进行过相关的研究工作，主要有两种方法：一是基于结构动网格技术，二是多块结构重叠网格技术。总的来看，现有数值模拟方法具有以下特点：a.采用结构化网格；b.未考虑轨道内的缝隙流动；c.二维简化物理模型；d.均实现了轨道内及出口附近流场的预测，但未实现弹丸组件出轨后弹托分离全过程的流场、气动力预测及安全性评估。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述不足之处提供一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，解决了现有技术无法高效精准的对轨道内加速过程、出轨道及弹托分离全过程流场及气动力进行可靠预测，同时也无法对弹托分离安全性及分离后弹丸姿态进行评估的问题。
本发明是通过下述方案来实现的：
一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将轨道发射超高速弹丸划分为三个阶段，分别为加速过程、出轨道过程和弹托分离过程；
步骤二：分别对每个过程进行数值模拟；第一阶段为轨道内弹丸组件加速过程数值模拟；第二阶段为激波及弹丸组件出轨道过程数值模拟；第三阶段为弹托分离过程数值模拟；上一阶段数值模拟结果通过高精度数值传递技术传递给后一阶段；
步骤三：第三阶段通过流场解算器获得流场参数，结合流场参数通过求解六自由度方程获得弹托、弹丸、适配器的位移姿态数据，如此循环往复直到结束。
在步骤二中，第一阶段数值模拟时采用动模型方法；第二阶段和第三阶段数值模拟时均采用重叠网格技术。
在步骤二中，动模型方法的具体方法为：弹丸组件和轨道壁面及其出入口作为一个整体进行网格划分及流场求解，通过给定运动轨迹或外力来模拟弹丸组件的运动过程。
在步骤二中，动模型方法的边界条件设为：弹丸组件表面均为无滑移壁面边界条件，轨道壁面使用滑移壁面边界条件，轨道出/入口使用压力远场边界条件。
在步骤二中，第二阶段采用重叠网格技术具体为：轨道内及出口附近空域为一个计算域划分网格作为背景网格，弹丸组件及其周围空域为另一个计算域划分网格称为子网格，背景网格与子网格必须有预定层数的网格重叠区域实现两个计算域之间流场参数的传递；该阶段背景网格固定不动，子网格仍按给定的运动轨迹或外力模拟运动；通过高精度数值传递技术将第一阶段末了时刻流场参数传递给第二阶段背景网格和子网格，作为第二阶段初始流场。
在步骤二中，第二阶段采用重叠网格技术时，背景网格轨道壁面采用无滑移壁面边界条件，远场采用压力远场边界条件；子网格弹丸组件表面采用无滑移壁面边界条件，远场采用挖洞边界条件。
在步骤二中，第三阶段采用重叠网格技术具体为：此时弹丸组件已完全离开轨道只受气动力和重力作用，在气动力的作用下弹托、弹丸、适配器相互分离；把弹丸及其周围空域划分网格作为背景网格，弹托及其周围空域划分网格作为子网格，适配器及其周围空域划分网格作为另外的子网格，背景网格与子网格之间有预定层数的网格重叠区域；同样通过高精度数值传递技术将第二阶段末了时刻流场参数传递给第三阶段背景网格和子网格，作为第三阶段初始流场。
在步骤二中，第三阶段采用重叠网格技术时，弹托、弹丸、适配器的网格物体表面均采用无滑移壁面边界条件，远场采用挖洞边界条件，背景网格远场采用压力远场边界条件。
本方案不仅适用于轨道发射，也适用于发射井、隧道等有限空间内发射。
所述预定层数不少于3层。
采用非结构混合网格，基于相关数值风洞软件及重叠网格技术实现轨道发射超高速弹丸全过程的流场、气动力求解及分离安全性评估。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本方案中基于相关数值风洞软件,提供了一种轨道发射超高速弹丸全过程的气动力求解及弹托分离安全性评估方法，可以对轨道内加速过程、出轨道及弹托分离全过程流场及气动力可靠预测，对出轨后弹托分离安全性及分离后弹丸姿态进行评估。
2、本方案数值模拟方法能够评估三维实物模型且考虑弹丸组件各部件及轨道间相互间隙，不仅适用于超高速，也适用于亚跨声速。
3、本方案可以对有限空间内发射弹丸或目标载荷进行气动优化设计，具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1为轨道发射超高速弹丸结构组成示意图；
图2为轨道发射超高速弹丸分阶段数值模拟流程示意图；
图3为第一阶段数值模拟方法示意图；
图4为第二阶段数值模拟方法示意图；
图5为第三阶段数值模拟方法示意图；
图6为弹托分离安全性评估流程示意图；
图7为列车动模型试验模型示意图；
图8为测压点计算与试验数据对比图；
图中标记：1、轨道；2、适配器；3、弹托；4、弹丸组件；5、弹丸；6、轨道入口；7、轨道出口；8、轨道壁面；9、背景网格；10、子网格；11、远场；12、列车；13、隧道。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。
实施例1
如图2所示，本发明提供一种技术方案：
一种轨道发射超高速弹丸5过程气动安全性评估方法，其具体包括以下步骤：
步骤一：将轨道1发射超高速弹丸5划分为三个阶段，分别为加速过程、出轨道1过程和弹托3分离过程；
步骤二：分别对每个过程进行数值模拟；第一阶段为轨道1内弹丸组件4加速过程数值模拟；第二阶段为激波及弹丸组件4出轨道1过程数值模拟；第三阶段为弹托3分离过程数值模拟；上一阶段数值模拟结果通过高精度数值传递技术传递给后一阶段；
步骤三：第三阶段通过流场解算器获得流场参数，结合流场参数通过求解六自由度（6DOF）方程获得弹托3、弹丸5、适配器2的位移姿态数据，如此循环往复直到结束。详细求解流程如图6所示。
在步骤二中，第一阶段数值模拟时采用动模型方法；第二阶段和第三阶段数值模拟时均采用重叠网格技术；
在步骤二中，动模型方法的具体方法为：如图3所示，弹丸组件4和轨道壁面8及其出入口作为一个整体进行网格划分及流场求解，通过给定运动轨迹或外力来模拟弹丸组件4的运动过程；
在步骤二中，动模型方法的边界条件设为：弹丸组件4表面均为无滑移壁面边界条件（WALL），轨道壁面8使用滑移壁面边界条件（SYMM），轨道1出/入口使用压力远场11边界（Far_field）条件。
在步骤二中，第二阶段采用重叠网格技术具体为：如图4所示；轨道1及出口附近空域为一个计算域划分网格作为背景网格9，弹丸组件4及其周围空域为一个计算域划分网格作为子网格10，背景网格9与子网格10至少有3层的网格重叠区域才能实现两个计算域之间流场参数的精确传递；该阶段背景网格9固定不动，子网格10仍按给定的运动轨迹或外力模拟运动；通过高精度数值传递技术将第一阶段末了时刻流场参数传递给第二阶段背景网格9和子网格10，作为第二阶段初始流场，非定常计算时第一个时间步内迭代步数设置为1。
在步骤二中，第二阶段数采用重叠网格技术时，背景网格9轨道壁面8采用无滑移壁面边界条件，远场11采用压力远场11边界条件；子网格10弹丸组件4表面采用无滑移壁面边界条件，远场11采用挖洞边界条件（CMR_INTERFACE）；
在步骤二中，第三阶段采用重叠网格技术具体为：如图5所示；此时弹丸组件4已完全离开轨道1只受气动力和重力作用，在气动力的作用下弹托3、弹丸5、适配器2相互分离；把弹丸5及其周围空域划分网格作为背景网格9，单个弹托3及其周围空域划分网格作为子网格10（假设有2个弹托3则有2个子网格10，也可能是3个或4个），适配器2及其周围空域划分网格作为另外的子网格10，本例中共计4套网格（1个弹丸5、2个弹托3、1个适配器2），背景网格9与子网格10之间至少有3层的网格重叠区域；同样通过高精度数值传递技术将第二阶段末了时刻流场参数传递给第三阶段背景网格9和子网格10，作为第三阶段初始流场，非定常计算时第一个时间步内迭代步数设置为1。
在步骤二中，第三阶段采用重叠网格技术时，弹托3（2个）、弹丸5、适配器2四套网格物体表面均采用无滑移壁面边界条件，远场11采用挖洞边界条件（CMR_INTERFACE），背景网格9远场11采用压力远场11边界条件。
本方案中网格划分时采用非结构混合网格，采用动模型方法、重叠网格技术，利用相关数值风洞软件进行流场及六自由度运动方程求解，实现轨道1发射超高速弹丸5全过程的流场、气动力预测及分离安全性评估。
实施例2
本实施例对实施例1的方案进行验证；
采用实施例1的数值模拟方法对列车12动模型试验进行了数值模拟，列车12采用椭圆旋成体模型如图7所示，列车12长1.3m，直径34.6mm，鼻长51.9mm，试验模型缩比1/97，列车12以500km/h（Ma=0.4）速度通过隧道13，在隧道内距入口2.35m处测压，测压点计算结果与试验数据对比如图8所示，验证了本发明方法计算结果的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：将轨道发射超高速弹丸过程划分为三个阶段，分别为加速过程、出轨道过程和弹托分离过程；
步骤二：分别对每个过程进行数值模拟；第一阶段为轨道内弹丸组件加速过程数值模拟；第二阶段为激波及弹丸组件出轨道过程数值模拟；第三阶段为弹托分离过程数值模拟；上一阶段数值模拟结果通过高精度数值传递技术传递给后一阶段；第一阶段数值模拟时采用动模型方法；第二阶段和第三阶段数值模拟时均采用重叠网格技术；动模型方法的具体方法为：弹丸组件和轨道壁面及其出入口作为一个整体进行网格划分及流场求解，通过给定运动轨迹或外力来模拟弹丸组件的运动过程；第二阶段采用重叠网格技术具体为：发射轨道及出口附近空域为一个计算域进行划分网格作为背景网格，弹丸组件及其周围空域为另一个计算域划分网格作为子网格，背景网格与子网格必须有预定层数的网格重叠区域才能实现两个计算域之间流场参数的精确传递；该阶段背景网格固定不动，子网格仍按给定的运动轨迹或外力模拟运动；通过高精度数值传递技术将第一阶段末了时刻流场参数赋值给第二阶段背景网格和子网格作为初始流场；第三阶段数采用重叠网格技术具体为：此时弹丸组件已完全离开轨道只受气动力和重力作用，在气动力的作用下弹托、弹丸、适配器相互分离；把弹丸及其周围空域划分网格作为背景网格，弹托及其周围空域划分网格作为子网格，适配器及其周围空域划分网格作为另外的子网格，背景网格与子网格之间有预定层数的网格重叠区域；同样通过高精度数值传递技术将第二阶段末了时刻流场参数赋值给第三阶段背景网格和子网格作为初始流场；
步骤三：第三阶段通过流场解算器获得流场参数，结合流场参数通过求解六自由度方程获得弹托、弹丸和适配器的位移姿态数据，如此循环往复重复步骤三直到结束。
2.如权利要求1所述的一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，其特征在于：在步骤二中，动模型方法的边界条件设为：弹丸组件表面均为无滑移壁面边界条件，轨道壁面使用滑移壁面边界条件，轨道出/入口使用压力远场边界条件。
3.如权利要求2所述的一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，其特征在于：在步骤二中，第二阶段数采用重叠网格技术时，背景网格轨道壁面采用无滑移壁面边界条件，远场采用压力远场边界条件；子网格弹丸组件表面采用无滑移壁面边界条件，远场采用挖洞边界条件。
4.如权利要求1所述的一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，其特征在于：在步骤二中，第三阶段数采用重叠网格技术时，弹托、弹丸、适配器的网格物体表面均采用无滑移壁面边界条件，远场采用挖洞边界条件，背景网格远场采用压力远场边界条件。
5.如权利要求1所述的一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，其特征在于：不仅适用于轨道发射，也适用于发射井、隧道内发射。
6.如权利要求1~5任一所述的一种轨道发射超高速弹丸过程气动安全性评估方法，其特征在于：采用非结构混合网格，基于国家数值风洞软件NNW-FlowStar及重叠网格技术实现轨道发射超高速弹丸全过程的流场、气动力及安全性评估。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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