1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 靳桂斌学 号：0701044404学 院 、 系 ： 机电工程学院动力机械系专 业 ： 武器系统与发射工程设 计 题 目 ： 122mm 火炮炮口流场计算机仿真指 导 教 师 : 郝秀平( 副教授)2011 年 3 月 7 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 Fluent 介绍Fluent 是用于计算流体流动和传热问题的程序，含有多种传热燃烧模型以及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所
2、有与流体相关的领域，是目前国际上比较流行的商用CFD（计算流体力学）软件 1 。Fluent 在国防、航空航天、机器制造、汽车、船泊、兵器、电子、铁道、石油天然气、材料工程等方面都有着广泛的应用。采 用 基 于 完 全 非 结 构 化 网 格 的 有 限 体 积 法 ，而 且 具 有 基 于 网 格 节 点 和 网 格 单 元 的 梯 度 算 法 ， 定 常 /非 定 常 流 动 模 拟 ； 软 件 中 的动 /变 形 网 格 技 术 主 要 解 决 边 界 运 动 的 问 题 ， 用 户 只 需 指 定 初 始 网 格 和 运 动 壁 面 的边 界 条 件 ， 余 下 的 网 格 变 化 完
3、 全 由 解 算 器 自 动 生 成 2。 FLUENT 软 件 包 含 三 种 算 法 ：非 耦 合 隐 式 算 法 、 耦 合 显 式 算 法 、 耦 合 隐 式 算 法 ， 以 及 丰 富 而 先 进 的 物 理 模 型 ，使 得 用 户 能 够 精 确 地 模 拟 无 粘 流 、 层 流 、 湍 流 。 另 外 用 户 还 可 以 定 制 或 添 加 自 己 的湍 流 模 型 。 从用户需求角度出发,针对各种复杂流动的物理现象， Fluent 软件采用不同的离散格式和数值方法,开发了适用于各个领域的流动模拟软件， 软件之间采用了统一的网络生成技术及共同的图形界面,而各软件之间的区别仅在
4、于应用的背景不同， 因此大大方便了用户。对每一种物理问题的流动特点， 有适合它的数值解法， 用户可对显式或隐式差分格式进行选择， 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳 3 。将不同领域的计算软件组合起来成为 CFD 计算机软件群,软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上 4 。1.2 Fluent 在兵器科学中的应用现代战争要求火力打击的精确性，火炮作为重要的常规兵器，如何提高其打击的精度成为火炮研究的一个重要方向 5。在火炮发射的整个过程中，弹丸
5、出膛口时膛内残留的高温、高压、高速气体对弹丸的速度和攻角都有明显的影响，特别是对于多管火炮而言，膛口周围流场的相互作用对其发射精度将产生很大的影响 6。因此，如何模拟弹丸出膛口时其周围的流场成为研究的重点，对提高火炮尤其是多管火炮的打击精确性具有重要的指导作用 7。国内的膛口流场工作起步比较晚，但国内学者针对膛口流场问题也开展了大量的研究工作 8,9。李鸿志院士于1977年对炮口流场和炮口冲击波的分布情况及形成机理进行了研究，并探讨出了减小冲击波的途径。然后又对带炮口装置的炮口流场和冲击波的形成机理也进行了研究，得出了诸多宝贵结论 10。尤国钊等人用二阶精度的FcT方法计算了含弹丸的膛口流场，
6、将有限体积离散和黎曼解算器相结合，简化了计算工作,马大为实现了高阶精度数值方法在膛口流场中的应用，获得了清晰的非定常流场波系。为以后研究奠定了坚实的基础 11。目前对膛口流场的研究可以应用计算流体力学软件FLUENT 进行数值仿真，Fluent 在兵器领域有很广泛的应用 12,13。例如：可以进行火炮制退机内部流场数值模拟、炮膛内部燃烧过程的模拟等。膛口流出气体对弹丸的后效作用改变弹丸的速度并对弹丸飞行产生初始扰动 14。膛口流场对弹底压力的影响规律是弹底引信设计必需的起始数据。同时炮口的冲击波对炮车周围的设备和炮手危害最大的因素之一，研究炮口能控制火药气体从膛口流出后的流动状态，可以改变身管
7、受力及膛口流场射流结构分布状况，对火炮武器系统性能及周围设备和炮手有重要的影响 15,16 。根据弹道学报中江坤，王浩，黄明共同发表的“带炮口制退器火炮发射流场数值模拟”一文指出：“为了研究带炮口制退器火炮发射流场结构,采用二维轴对称 Navier-Stokes 方程并结合标准 k- 湍流模型建立了流场数学物理模型.采用动网格技术对弹丸运动进行处理,在弹丸前后分别控制网格的生死。通过数值仿真得到了含炮口制退器膛口初始流场和膛口流场的数值分布，并对初始膛口流场和膛口流场的发展规律进行了讨论和分析。分析表明,流场数值模拟结果合理可信” 17 。此文表明了炮口流场的数值仿真是符合实际规律的，模拟的结
8、果具有很高的参考价值，可以通过对膛口流场的仿真来改善冲击波对火炮及相关设备和炮手的影响 18。通过对炮口流场的研究，从而改善装置性能及其对周围设备和弹丸运动影响问题，提高精度、改善环境。采用计算流体力学结合动网格技术，建立包含炮口装置和运动弹丸的膛口流场数值仿真模型，利用轴对称 Euler 方程组和有限体积法(FVM)，对带炮口装置的火炮膛口流场进行数值仿真。根据数值仿真结果分析炮口流场对弹丸受力状况及运动状况的影响 19,20。国内外学者对膛口流场的早期研究计算是建立在实验的基础上，采用近似算法进行的。随着计算流体力学的发展，膛口流场的计算有了很大的进展。但是，目前对膛口流场的研究未考虑内弹
9、道过程对膛口流场的形成过程的影响，对于膛口初始流场只给予简单的假设20。本文主要研究 122mm 榴弹炮的膛口流场问题，对于带炮口装置大威力大口径火炮，火药气体对精度以及火炮本身的影响更为突出，因此研究炮口流场具有更大的意义。结合内弹道过程、火炮测试结果和经验公式给出流体动力学分析的边界条件，对膛口流场的数值模拟充分考虑膛口初始流场的形成过程。在 Gambit 中进行模型的建立并利用流体力学数值计算软件 Fluent 进行解算，得到炮口流场相关数值并进行分析。参考文献1 韩占忠，王敬,兰小平. FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用 M. 北京：北京理工大学出版社，2004: 19-22.2
10、 刘小平，张敏，刘晶等. 商用软件 GAMBIT 的解析和应用 J. 南京工业大学学报(自然科学版), 2008，30(1): 101-104.3 朱红钧, 林元华, 谢龙汉. FLUENT 流体分析及仿真实用教程 M. 北京：人民邮电出版社 ，2010: 40-91.4 李勇,刘志友,安亦然. 介绍计算流体力学通用软件Fluent J. 水动力学研究与进展, 2001，16(2): 255-259.5 杨伯忠, 陈运生,程贤进. 火炮射击精度仿真研究 J. 南京理工大学学报，2002，26(2): 127-130.6 郁伟，朱斌，张小兵. 耦合内弹道过程的膛口流场数值模拟与分析 J. 南京工
11、大学学报(自然科学版)，2009，33(3): 336-342.7 江坤，钱林方. 某火炮炮口制退器性能的研究 J. 弹道学报, 2006，18(3): 55-57.8 江坤，王浩. 基于动网格技术的膛口流场数值模拟 J. 火炮发射与控制学报.2010,(3): 3-4.9 杜中华. 基于仿真的炮口制退器效率影响因素分析 J. 机械 设计与研究，2009，36（11）：7-9.10 谭中林.基于 CFD 的的冲击波炮口制退器研究 硕士论文 . 南京：南京理工大学，2009.11 李伟.炮口制退器流场数值仿真研究 硕士论文 . 南京：南京理工大学，2008.12 王颖泽，张小兵，衰亚雄. 膨胀波
12、火炮后喷装置流场性能分析 J.兵工学报，2009，30(5): 525-530.13 张辉.复杂流场数值方法研究及在炮口制退器设计中应用 博士论文 . 南京：南京理工大学，2009.14 任宪仁,高修柱. 弹尾翼稳定装置的气体动力学分析 J. 安徽工业大学学报（自然科学版）, 2008，25(4): 387-393.15 曹红松，张亚，高跃飞. 兵器概论M.北京：国防工业出版社，2008： 1-119.16 高跃飞.火炮反后坐装置设计M. 北京：国防工业出版社，2010: 212-227.17 江坤，王浩，黄明. 带炮口制退器火炮发射流场数值模拟 J. 弹道学报，2010,(3): 48-51
13、.18 张辉,谭俊杰，崔东明. 带膛口装置的流场数值模拟 J.火炮发射与控制学报，2007 年 6 月：47-51.19 苏晓鹏，钱林方，戴劲松. 带炮口装置时某火炮膛口流场数值仿真 J.计算机仿真，2009，26(9): 15-18.20 乐贵高，马大为，冯勇等. 某火炮膛口流场数值仿真 J.兵工学报，2004，25（1）：19-21.毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 本课题拟研究解决的问题本课题主要研究 122mm 火炮炮口流场计算机仿真。主要完成如下任务：通过查阅资料得到 122mm 榴弹炮及弹药相关资料，包括内弹道数据以及膛口压力等。通过仿真对其有一个更深入深入的认识，从而进一步的研究流场对火炮各方面性能的影响。2.2 拟采用的研究手段（1） 利用 solidworks 三维设计软件建立仿真模型。（2） 将建立好的模型导入 gambit 软件进行网格的划分并设置边界条件。（3） 利用计算流体力学软件 Fluent 读入已划分好网格的模型进行仿真计算。（4） 输出并分析仿真结果。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日
