基于FLUENT的炮弹三维流场数值模拟毕业设计开题报告

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[18]姜根柱,王筱蓉.固冲增程炮弹三维流场数值仿真.计算机仿真,2009,26(4):6~9
[19]王筱蓉,姜根柱,周长省. 超音速进气道三维流场数值仿真与性能分析.计算机仿真,2010,27(3):27~30
[20]庞英良,宋卫东,杨晓霖. 基于FLUENT的末制导炮弹初始段气动仿真.兵工自动化,2009,28(2):13~15
在炮弹流场仿真方面,计算流体力学的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展,为各类流动模型的建立提供了更多的依据,使很多分析方法得到发展和完善。然而,更重要的是计算流体力学采用它独有的新的研究方法——数值模拟方法——研究流体运动的基本物理特性。这种方法的特点如下:
①给出流体运动区域内的离散解,而不是解析解。这区别于一般理论分析方法。
事实上,实验研究、理论分析方法和数值模拟是研究流体运动规律的三种基本方法,他们的发展是相互依赖相互促进的。
另一方面,计算流体力学的发展进程是伴随着计算机技术的发展而前进的。一般来说,只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体力学新阶段的出现。随着计算技术的提高、巨型计算机的出现,计算流体力学所研究问题的深度和广度不断发展,它不但可用于研究已知的一些物理问题,而且可用于发现新的物理现象。例如甘贝尔(Campbell)和穆勒(Mueller)等人在数值实验中,发现了亚声速斜坡绕流中的分离现象,以后他们在风洞实验中做了证实;又如吉姆(Kim)和莫因(Moin)等人在数值计算中发现了倒马蹄涡,后来被实验研究所证实。
从外弹道学的角度考虑,增大火炮射程可以从两方面入手:一是外部增大弹丸动能或提高弹丸速度;二是增大弹丸的断面比重。具体而言,增大火炮射程的方法可以分为以下四种:一、提高初速法;二、火箭助推法;三、减小弹道系数法;四、复合增程法[1,2,6]。
在众多的方法中,选择最合理有效的方法及对弹丸外形的优化设计就显得尤为重要,因此,我们以FLUENT仿真软件为手段,对炮弹的三维流场进行数值模拟,分析其流动现象,揭示其流动规律,研究其空气动力学特性,从而为炮弹的设计及优化提供理论依据[15,17]。
2.2 本课题拟采用的研究方法
随着计算技术的发展,用CFD方法对炮弹气动特性进行数值模拟成为可能。考虑到CFD方法的诸多优点,本课题拟采用计算流体动力学(CFD)方法。目前,在市场上出现的大型商业计算流体动力学(CFD)软件有CFX、STAR-CD、FLUENT、ANSYS/FLOTRAN、ICEM-CFD等。
这常常是风洞实验和理论分析难以做到的。而且,要建立正确的数学方程还必须与实验研究相结合。更重要的是实际问题中所求解的多维非线性偏微分方程组十分复杂,现有数学理论尚不够充分,严格的稳定性分析、误差估计和收敛性理论的发展还跟不上数值模拟的进展。虽然关于广义解唯一性、存在性等问题的严格数学理论已经取得了长足的进展,但还不足以对一些感兴趣的具体复杂问题给出明确的回答。所以在计算流体力学中,仍必须依靠一些较简单的、线性化的、与原问题有密切关系的模型方程的严格数学分析,以及依靠启发性的推理给出所求解问题数值解的理论依据。然后再依靠数值实验,地面实验和物理特性分析,验证计算方法的可靠性,从而进一步改进计算方法。
[2]赵悍东,魏志芳,张国伟.弹丸优化设计.北京:兵器工业出版社,2005
[3]王志军,尹建平主编.弹药学.北京:北京理工大学出版社,2005
[4]沈仲书,刘亚飞.弹丸空气动力学.北京:国防工业出版社,1984
[5]赵文宣.弹丸设计原理.北京:北京工业学院出版社,1988
[6]浦发.外弹道学.北京:国防工业出版社,1980
1.3 本课题国内外研究进展
在155毫米榴弹炮方面,国产第一代155毫米自行加榴炮是众所周知的PLZ-45。PLZ-45式火炮是上世纪80年代后期作为外贸装备开始研制。它采用了45倍口径155毫米长身管火炮,该炮在总体性能上有自己独特的优点。但是因为PLZ-45火炮的身管源于引进国外技术生产的W1988(也就是后来的PLL01火炮)型155毫米牵引加榴炮。因此存在药室容积过大而身管长度不足的问题。火炮内弹道性能一直无法达到最优状态,而且限于当时的技术条件,我们还不能研制155毫米火炮使用的全自动装弹机,PLZ-45火炮仅配备了半自动装弹机。对于外贸装备来说PLZ-45自行加榴炮在火力性能和系统完整程度上是有鲜明特色的,但是其自动化程度尚不能达到部队期望的下一代先进大口径自行压制火炮的技术标准,因此最终没能大量装备我军现役炮兵部队。然而墙内开花墙外香,PLZ-45火炮虽然不能装备部队,但却在外贸市场上开创了局面,赢得了良好的口碑,这也是对我国火炮研发人员的最佳褒奖。
[15]张家仙.冲压增程炮弹绕流流场数值模拟研究.硕士学位论文.南京:南京理工大学, 2005
[16]吴甲生,雷娟棉.制导兵器气动布局发展趋势及有关气动力技术.北京理工大学学报,2003,23(6):665~670
[17]赵洪章,岳春国,李进贤.基于FLUENT的导弹气动特性计算.弹箭与制导学报,2007, 27(2):203~205
本课题要求对155毫米榴弹三维流场数值模拟的几何建模、网格划分、计算模型及其求解方法进行研究,建立准确可靠的弹丸气动特性数值模拟方法,使用FLUENT软件对炮弹三维流场进行数值仿真,分析计算结果,并撰写说明书[12,20,21]。
1.2 本课题研究目的及意义
火炮的射程是衡量火炮威力的重要参数之一,世界各国的军事技术部门都在研究增大火炮射程的方法。增大火炮射程的方法一直是弹道学家、空气动力学家及兵器设计专家研究的重要课题。他们从不同角度,对增大火炮射程的方法进行了多方面研究。
从90年代中后期开始,国际上火炮领域为提高射程,增长身管,52倍口径长身管155毫米榴弹炮开始倍受青睐。我军未来压制火炮武器如何在这种形势下保持自己的优势呢?修正PLZ-45火炮的缺陷,发展自己的新型长身管155毫米加榴炮才是最好的解决途径。07年上半年,阿布扎比防务展上北方公司率先公开了SH-1型52倍口径155毫米车载自行加榴炮表明经过经过10余年的努力,中国已经具备了独立研制比45倍口径身管更长的155毫米火炮的技术实力。而当年7月在建军八十周年军队建设成就展上以实物高调公开亮相PLZ-05式155毫米自行加榴炮则向世人正式宣布,这种实力已经转化为中国陆军实际的战斗力了!按照火炮上铭牌的说法,国产新型155毫米自行加榴炮被命名为PLZ-05式,也就是说,这种火炮是在2005年定型的。将一种刚刚定型装备的先进武器拿出来向公众展示,也从一个侧面反映出了中国军队的自信和我们在大口径自行压制火炮领域的技术实力[23,24]。
1.4 本课题预期达到的目标
通过资料的查阅,了解弹丸气动特性计算的一般方法及计算流体动力学的基本步骤,同时学会使用fluent软件对炮弹的三维流场数值进行模拟,并分析计算结果,为今后设计和优化弹丸外形学习到新的研究手段及提供理论依据。
1.5 参考文献
[1]王志军,尹建平,郭支明﹒弹丸空气动力学﹒中北大学讲义,2010
其中FLUENT是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件,它是继PHOENICS软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。FLUENT提供了非常灵活的网格特性,可以使用非结构网格,包括三角形、四边形、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动,甚至可以用混合型非结构网格。它可读入多种CAD软件的三维几何模型和多种CAE软件的网格模型。FLUENT可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析,可完成多种参考系下流场模拟、定常和非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。它的湍流模型包括κ-ε模型、Reynolds应力模型、LES模型、标准壁面函数、双层近壁模型。
②计算网格划分。本课题取整个炮弹的流场进行计算,用非结构网格对计算域进行划分。根据计算精度及考虑到计算机配置问题,合理选择适当的网格数,以达到最优配置。
③应用FLUENT软件进行数值模拟。通过数值计算和边界条件得到炮弹的气动特性及流场。具体包括:升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、压力中心系数等。
④分析数值模拟结果。根据课题要求处理计算结果,并与参考文献进行对比,得出各数值之间的变化关系。
考虑到FLUENT广阔的应用前景、计算机配置及本人现有知识等一些实际情况本,课题将采用FLUENT软件对炮弹的三维流场进行数值模拟分析。
2.3炮弹三维流场数值模拟的步骤
①在GAMBIT中绘制出炮弹对称面的二维模型,并旋转生成三维模型;
②用非结构网格对流场进行划分,生成网格;
③合理设定边界;
④输出网格,生成mesh文件;
中北大学
毕业设计开题报告
学 生 姓 名:
徐吉
学 号:
0701064330
学院、系:
机电工程学院、机电控制工程系
专业:
弹药工程与爆炸技术
设 计 题 目:
基于FLUENT的炮弹
三维流场数值模拟
指导教师:
魏志芳
2011 年3月6日
一、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:
1.1课题简介
[24]佚名.解放军新战争之神 PZL-05型155毫米自行榴弹炮.国际展望,2006,12(3):22~27
二、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段
2.1 本课题要研究或解决的问题
①建立炮弹模型。155毫米榴弹主要由头部、圆柱部、尾部和底部四个部分组成,根据弹丸外形结构及数据绘制出炮弹模型。
⑤在FLUENT中选择三维模型,导入网格,进行设定;
⑥迭代计算收敛后,进行后期处理;
⑦分析数值模拟结果,并与参考文献进行对比,若与真实情况不符则重复上述步骤直到得到满意的数值模拟结果。
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
[12]韩占忠,王敬,兰小平编.FLUENT:流体工程仿真计算实例与应用.北京:北京理工大学出版社,2004
[13](美)约翰D.安德森(JohnD.Anderson)著;吴宋平,刘赵淼译.计算流体力学基础及其应用.北京:机械工业出版社,2007
[14]吴德铭,郜冶.实用计算流体力学基础.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006
总之,计算流体力学的兴起促进了流体力学的发展,改变了流体力学研究工作的状况,很多原来认为难以解决的问题,如超声速、高超声速钝体绕流、分离流涡运动、低密度效应、真实气体效应以及湍流问题等,都有了不同程度的发展,且将为流体力学工作提供新的前景[15,16,17]。
目前我国利用fluent软件对炮弹流场模拟的技术已趋于成熟,包括中北大学、南京理工大学、西北工业大学等高等院校,以及各地兵工厂和科技公司,均进行了相关的研究和发表论文[18,19,22]。
[7]杨为中.弹丸的飞行稳定性设计.北京:国防工业出版社,197义,1980
[9]华恭,欧林尔.弹丸作用和设计理论.北京:国防工业出版社,1975
[10]周长省,鞠玉涛,朱亚福等编著.火箭弹设计理论.北京:北京理工大学出版社,2005
[11]苗瑞生,居贤铭,吴甲生编著.导弹空气动力学.北京:国防工业出版社,2006
②它的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因为模拟的流体运动的复杂程度、解决问题的广度和所能模拟的物理尺度以及给出解的精度,都与计算机速度、内存、计算及输出图形的能力直接相关。
③若物理问题的数学提法(包括数学方程及其相应的边界条件)是正确的,则可在较广的流动参数(如马赫数、雷诺数、飞行高度、气体性质、模型尺度等)范围内研究流体力学问题,且能给出流场参数的定量结果[4,5,11,13]。
[21]赵洪章,岳春国,李进贤. 基于FLUENT的导弹气动特性计算.弹箭与制导学报,2007,27(2):203~205
[22]王晓兵,李菁,廖忠全,王维保. 基于FLUENT的弹丸外流场数值仿真.计算机辅助工程,2010,19(1):92~94
[23]凌翔.中国66式152毫米加农榴弹炮.现代兵器,2000,12(8):1~5
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