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子母弹燃气囊静态抛撒气囊破裂射流流场仿真分析

2016-11-09宁惠君黄凯王金龙张成陶如意王浩

兵工学报 2016年1期
关键词:破口气囊射流

宁惠君,黄凯,王金龙,张成,陶如意,王浩

(1.河南科技大学土木工程学院,河南洛阳471023;2.上海齐耀动力技术有限公司,上海201203; 3.南京理工大学能源与动力工程学院,江苏南京210094)

子母弹燃气囊静态抛撒气囊破裂射流流场仿真分析

宁惠君1,黄凯2,王金龙3,张成3,陶如意3,王浩3

(1.河南科技大学土木工程学院,河南洛阳471023;2.上海齐耀动力技术有限公司,上海201203; 3.南京理工大学能源与动力工程学院,江苏南京210094)

针对子母弹燃气囊抛撒试验中出现的气囊破裂对子弹运动特性的影响,建立了气囊抛弹的三维动力学模型。基于计算流体力学Fluent软件,通过编译自定义程序将六自由度刚体动力学方程与流体控制方程进行耦合,对气囊破裂自由射流流场结构特性及子母弹抛撒过程中气囊破裂射流流场结构特性进行对比,获得了气囊内压力变化规律。对不同破口位置的气囊射流流场进行仿真分析,获得了不同破口位置气囊内压力变化规律及对子弹的运动特性影响。计算结果表明:与气囊破裂自由流场结构相比,存在子弹时对气囊破裂射流流场结构有很大的影响;在中心位置破裂时对气囊内压力变化影响最大,破口在中心位置及短边侧时对子弹姿态的影响最大。该研究结果对预估子弹飞行弹道,了解气囊破射流流场对子弹运动的作用机理和影响规律,提高子母弹分离时的可靠性和安全性具有参考价值。

兵器科学与技术;子母弹燃气囊;气囊破裂;自由射流;流场结构;运动姿态

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.001

0 引言

子母弹燃气囊抛撒技术通过利用气囊充气膨胀推动子弹运动,因其结构简单,过载小,子弹散布好,被广泛用于子母战斗部抛撒系统中[1-2]。在抛撒过程中能否成功实现气囊推动子弹与母弹的分离过程,使子弹从母弹中安全、迅速、准确地分离是子母弹燃气囊抛撒系统研制中的一个关键技术问题,它将直接影响到子弹的运动,进而影响子弹在目标区上空所要呈现的设想散布状态,并最终影响对目标的毁伤效果[3-4]。气囊在子母弹燃气囊抛撒分离试验过程中发生破裂是一个常见的现象,如果在子母弹分离过程中气囊发生破裂,会在子母弹间形成复杂的射流流场,影响子弹的气动参数,进而影响子弹的运动姿态。因此,研究子母弹分离过程气囊破裂射流流场的特性,对分析子弹受力,预估子弹飞行弹道,了解气囊破裂射流流场对子弹运动的作用机理和影响规律具有重要意义。

目前国内对子母弹燃气囊抛撒过程的研究大多集中在子母弹燃气囊抛撒内弹道建模及抛撒分离过程中干扰流场对子弹的影响,对气囊破裂的射流流场研究相对较少[5-7]。为此,针对子母弹燃气囊在抛撒分离试验中出现的气囊破裂情况,本文建立了气囊抛弹的三维动力学模型,基于计算流体力学Fluent软件,通过编译自定义程序(UDF)将六自由度刚体动力学方程与流体控制方程进行耦合求解,对气囊破裂自由射流流场结构特性及子母弹抛撒过程中气囊破裂射流流场结构特性进行了对比,获得了气囊内及破口压力变化规律。对不同破口位置的气囊射流流场进行了仿真分析,获得了不同破口位置气囊内压力变化规律及对子弹的运动特性影响。

1 气囊抛弹动力学模型的建立

1.1 基本原理

子母弹燃气囊抛撒系统示意图如图1所示。其工作原理是:被点燃的抛撒药燃气聚集于燃气发生室内,燃气压力不断上升,当持续增加的燃气达到一定压力时,燃气冲破燃气发生室的限压膜片,高温、高压的燃气通过燃气发生室壁上的喷孔流入气囊,气囊膨胀变形速度加快,当气囊膨胀进行到一定阶段时,变形过程基本完成,膨胀高度基本不再增加,气囊形状基本不再发生变化,最终气囊膨胀外形近似于圆枕形。压力推动子弹解除约束,燃气聚能通过气囊迅速释放,使得子弹加速运动,最终将其抛出[1,4]。

图1 燃气囊静态抛撒系统示意图Fig.1 Schematic diagram of gasbag static projector structure

1.2 气囊破裂结构模型的建立

假设当气囊膨胀到最大位移(即气囊外形近似圆枕形)时气囊破裂,子弹抛出,此后,气囊始终保持充盈状态直至气囊内压力降至与囊外大气压力相同。由于气囊开始回缩前,气囊内压力始终大于气囊外大气压力,气囊一直保持充盈状态。因此计算过程中将气囊作简化处理,即假设气囊膨胀后为固体壁面边界条件,忽略气囊的变形情况。并由试验结果(如图2所示)可看出,气囊破裂形状基本上为一条细长裂缝,因此本文取破口裂缝形状为矩形条缝。

由于气囊破裂破口位置并不是一致的,导致周向其余单体分离流场不具有对称性。所以为了分析气囊不同破口位置导致燃气流场不一致性对子弹运动造成的影响,同时兼顾缩短计算时间,本文采用1/4模型对不同破口结构下的流场进行三维仿真模拟,计算简化模型如图3所示。

图2 试验结束后气囊破裂照片Fig.2 Photos of the ruptured gasbag after test

图3 气囊破裂抛弹三维仿真模型Fig.3 Three-dimensional dynamic model of combustion gasbag rupture projector structure

模型尺寸选取:取矩形气囊尺寸为340 mm× 150 mm;子弹为直径150 mm、长度700 mm的圆柱体;抛射架长度为800 mm;气囊破口根据试验结果取矩形条缝,尺寸为50 mm×8 mm.

1.3 控制方程及离散格式

建立ALE有限体积法描述下的三维可压缩方程,其积分表达式为

式中:Ω为控制体体积;∂Ω为控制体表面边界;n为控制体边界外法向单位矢量;dV为体积微元;dS为面积微元;守恒变量Q,分量E、F、G及Ev、Fv、Gv的表达式分别为

式中:Q中的u、v、w、p、ρ分别为控制体内的速度、压力、密度;E、F、G中的u、v、w、p、ρ分别为控制边界上的速度、压力、密度;ug、vg、wg为控制体边界的移动速度;e为单位体积总能;Ev、Fv、Gv中的Π1= uτχχ+vτχy+wτχz+qχ,Π2=uτyχ+vτyy+wτyz+qy,Π3=uτzχ+vτzy+wτzz+qz,τχχ、τχy、τχz、τyχ、τyy、τyz、τzχ、τzy、τzz是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力分量,qχ、qy、qz为微元热流量。

湍流模型采用双方程 Realizable k-ε模型[5]。对于近壁区域低雷诺数流动情况,采用壁面函数法进行修正求解。

对控制方程及湍流方程采用2阶迎风格式进行空间离散,时间离散采用隐式方案。子弹为移动固壁边界,远场区域采用压力远场边界。

为实现子母弹分离过程流场区域的更新,本文基于Fluent软件,通过编译UDF将六自由度刚体动力学方程结合流体控制方程进行耦合求解,并采用弹簧光顺法和局部网格重构法实现分离过程中子弹边界运动后流体计算区域的更新[8]。耦合刚体六自由度运动方程计算获得边界位移量[9-10]。子弹的运动方程可参考文献[11]建立。

2 子母弹燃气囊静态抛撒过程气囊破裂射流流场结构分析

2.1 气囊破裂自由射流流场与静态抛撒过程中气囊破射流流场计算结果分析

建立气囊破裂自由流场结构模型及静态抛撒气囊破裂射流流场结构模型如图3所示。计算取气囊中心位置为破口位置,囊内初始压力1 MPa,子弹以12 m/s初速、0°攻角抛出,不考虑来流影响。取y方向为纵向,χ方向为横向。

对于气囊破裂自由流场结构,气囊破口为矩形条缝,由于条缝窄长,可将射流流场简化为具有矩形条缝喷嘴的气体平面射流流场。

而气囊破裂射流流场结构模型中,由于子弹与气囊破口空间位置及几何尺寸大小的不同,分别取破口横向Oχz截平面和纵向Oχy截平面进行分析,如图4所示。

图4 子母弹燃气囊静态抛撒气囊破裂射流流场在不同射流空间截平面图Fig.4 Section plane in different jet spaces of gasbag rupture jet flow field of combustion gasbag of submunition

图5和图6描述了气囊破裂自由射流和气囊破裂射流在破口横向截平面和纵向截平面内的变化过程。图7则更加直观地给出了两种情况下囊内和破口处的平均压力变化曲线,其中:第一种情况为气囊自由射流流场结构;第二种情况为抛撒子弹时气囊破裂射流流场结构。

由图5、图6可以看出,气囊破裂自由射流流场符合一般的射流理论分析,流场结构比较规则,流动状态较为稳定。结合图7可以看出,两种情况下,气囊内和破口处压力都随时间的增大而呈下降趋势,其中:破口压力在气囊破裂瞬间1 ms内,从初始压力1 MPa急剧下降至0.55 MPa;在60 ms左右,囊内和破口处压力均接近于大气压力,此时子弹只受空气阻力作用。第二种情况相对于第一种情况气囊内压力和破口压力下降较为缓慢。

图5 破口横向截平面内射流流场变化Fig.5 Change of jet flow field on ozχ section plane

图6 破口纵向截平面内射流流场变化Fig.6 Change of jet flow field on oχy section plane

另外,由图7并结合图5(b)分析可知,在0~27 ms内子弹的存在对射流流场的影响较大,由于此阶段囊内压力较大,高压气体自破口流出的速度(500 m/s)远远大于子弹运动初速(12 m/s),子弹可认为是静止的。为此,在每一时刻流场结构可近似等效为静止圆柱绕流流场。随着气囊内压力的下降,高压气体速度也进一步下降,当燃气速度下降至与子弹运动速度相近时,流场结构形式完全不同于静止圆柱绕流,绕流尾流区规则的脱落逐渐被不规则的紊流所覆盖、包围,直至整个子弹浸没在射流流场中,流场结构与自由射流相似,如图8(a)所示。

图7 两种情况下气囊内和破口处的平均压力变化Fig.7 The variation of average pressure in gasbag and gasbag laceration in two cases

图8 t=60 ms时子母弹抛撒气囊破裂射流流场结构Fig.8 Gasbag rupture jet flow field of combustion gasbag of submunition for t=60 ms

由图6(b)可以看出,破口横向截平面内,气囊内高压气体射流出流空间较纵向截平面受到了更大的限制,子弹的存在对射流流场的影响更大,影响时间也越久。结合图8(b)可以看出,到60 ms时,流场结构还是与自由平面紊动射流流场结构有较大差别。

2.2 不同破口位置气囊破裂射流流场仿真分析

根据试验结果,分别对图3所示的3种典型破口位置进行仿真模拟,计算初始条件与2.1节相同。

图9和图10给出了破口在气囊长边侧时射流流场在破口横向截平面和破口纵向截平面内的变化过程。与破口在气囊中心位置相比,此种情况下流场结构发生了较大的变化。由图9可以看出,在破口横向截平面内,射流流场从类似于圆柱绕流的流场结构变成了类似于流体流经固体壁面时的附壁射流流场结构形式。图9(a)和图9(b)中的A、B两处就是由于附壁效应所引起的附壁射流现象。而在破口纵向截平面内子弹很快消失了,流场结构逐渐过渡到一般的平面紊动自由射流流场结构。

图9 长边侧横向截平面内射流流场变化Fig.9 Change of jet flow field on transverse section plane at the long side

另外,由图9和图10又可以看出,在0~10 ms之内,子弹的存在对射流流场的流场结构有比较明显的影响,10 ms之后,射流流场对子弹运动几乎没有影响。因此,当气囊在长边侧破裂时在破口横向截平面内可简化为一般喷嘴射流和附壁射流结合的复合流场;而当射流进行10 ms之后,在破口纵向截平面内射流可简化为平面紊动自由射流。

当破口位置在气囊短边侧时计算结果表明子弹在破口横向截平面内射流流场结构变化与气囊在中心位置破裂时射流相似,而在破口纵向截平面内流场结构却与中心破口位置的流场结构变化不同,这是由于子弹在纵向截平面内相对于破口不在中心位置,导致流场结构不对称,大约在50 ms左右时,子弹发生了轻微偏转。

图10 长边侧破口纵向截平面内射流流场变化Fig.10 Change of the jet flow field on vertical section plane of gasbag laceration at long side ruptured position

2.3 不同破口位置对子弹运动的影响

为讨论气囊破裂射流流场对子弹运动的影响,分别对气囊不发生破裂时及破口在不同位置时子弹的运动姿态进行对比,计算结果如图11所示。

过了好一会,阿花用纸巾擦了泪,又像蛇一样缠过来,温柔地说,阿坤,你是误会了,我和江锋真的没有什么。我把脸扭过去,茫然地望着窗外,眼神空空的。阿花对着我的背影说,阿坤,其实我从没说过要嫁给你呀,我们只是好朋友,那种可以肝胆相照同床共枕的异性朋友,这难道还不够吗?

由图11(a)和图11(b)可以看出,在Oχy截平面内,不同破口位置子弹的运动轨迹与气囊不发生破裂时的运动轨迹基本接近一致。但在Oχz平面内,不同破口位置子弹的运动轨迹与气囊不发生破裂时差别很大,气囊不发生破裂时子弹几乎不发生偏移;破口位置在长边侧时子弹向z正方向偏移且呈不断增大趋势;而破口在中心位置时子弹向z正方向偏移先是增大后趋于稳定;破口在短边侧时子弹运动轨迹基本与气囊不破裂时一致。

由图11(c)可以看出,气囊不发生破裂时,子弹在运动方向(χ方向)上的受力基本保持不变(-6.8 N)。当气囊在不同位置破裂时,子弹在χ方向上的受力过程大致相同,即先是在极短的时间内受力迅速增大,之后经过一段时间的波动,缓慢下降至气囊不发生破裂时的受力值。这是由于气囊破裂瞬间,压力波迅速到达子弹表面,子弹受力瞬间增大,之后,气囊内的高压气体快速流出,燃气在子弹前缘迅速堆积,射流流场与子弹相互作用一段时间后,子弹受力最终缓慢下降至不受燃气射流影响。

由图11(d)可以看出,当破口在气囊中心位置和短边侧时,子弹在z方向上受力基本与气囊不发生破裂时一致(受力基本为0),所不同的是射流初始阶段破口在中心位置和短边侧时子弹受到射流流场的章动作用出现波动,且破口在中心位置时的波动幅度大于破口在短边侧。当破口在气囊长边侧时,在射流开始0.001 ms内,子弹在z方向受力急剧上升,随后在0.007 ms下降至0.这是由于射流的卷吸作用和附壁效应,使得在射流流场附近形成一个高速低压区,此时子弹会在大气压力的作用下向低压区运动。

由图11(e)可以看出,气囊在不同位置破裂时射流流场对子弹的角速度影响很大。破口在长边侧时,射流流场与气囊不发生破裂时基本一致,子弹的角速度基本为0,射流流场对子弹角速度影响很小;而破口在中心位置时,子弹沿z轴正方向旋转,角速度在45 ms以后趋于0.012 rad/s左右;破口在短边侧时子弹沿z轴负方向旋转,角速度最终稳定于0.14 rad/s左右。通过对角速度积分进行换算得到60 ms时破口在中心位置相对于0°攻角偏转了0.027 8°,破口在长边侧相对于 0°攻角偏转了-0.000 75°,破口在短边侧偏转了-0.379°,所以当破口位置在短边侧时射流流场对子弹角速度的影响最大。

由图11(f)可以看出,气囊在不同位置破裂时子弹的速度曲线变化很大。破口在中心位置时射流流场对子弹在χ方向的速度随时间增大迅速增大,在40 ms左右子弹的速度趋于12.04 m/s后逐渐稳定;当破口在气囊短边侧时,子弹在20 ms左右速度趋于12.007 m/s后逐渐稳定;破口在气囊长边侧时子弹在χ方向速度保持11.993 m/s不变。

图12为气囊破口位置不同时各参数的比较。由图12可以看出,60 ms时3种不同破裂位置的气囊内压力、破口平均压力、弹底最大压力都接近于大气压力。这说明,气囊内的高压气体基本已经排空,此时气囊破裂射流对子弹几乎没有影响,子弹只受空气阻力作用。

图11 气囊破口位置不同时子弹运动姿态比较Fig.11 Comparison of projectile attitudes at different ruptured positions of gasbag

由图12(c)可以看出,气囊在不同位置破裂时,弹底所受的最大压力变化大致相同,起初都在极短的时间内迅速增大,然后缓慢下降到接近大气压力。这是由于气囊破裂时,气囊内的高压气体迅速流出,流体在子弹前缘迅速堆积,弹底压力迅速增大。

综上所述,当破口在中心位置和短边侧时相对于气囊未发生破裂时对子弹的姿态影响较大。气囊破口在中心位置时对子弹的速度影响最大,在短边侧时对子弹的角速度影响最大。气囊破口在长边侧时与气囊未发生破裂时对子弹的速度与角速度影响很小。

图12 气囊破口位置不同时各参数的比较Fig.12 Comparison of various parameters at different ruptured positions of gasbag

3 结论

针对子母弹燃气囊在抛撒分离试验中出现的气囊破裂情况,本文建立了气囊抛弹的三维动力学模型,基于Fluent软件,通过编译UDF将六自由度刚体动力学方程结合流体控制方程进行耦合,对气囊破裂自由射流流场结构及子母弹抛撒过程中气囊破裂射流流场结构进行了分析对比,并对不同破口位置的气囊射流流场进行了仿真分析,得到了如下结论:

1)通过对气囊破裂自由流场及子母弹燃气囊静态抛撒气囊破裂射流流场的分析得出:射流初始阶段,子弹的存在对气囊破裂射流流场出流空间影响较大,含子弹时囊内压力和破口压力较自由射流下降缓慢,随子弹逐渐远离气囊,囊内高压气体的排出,破口出流空间逐渐增大,子弹对射流空间的影响也越来越小,上述两种截平面内射流都逐步转向自由射流。

2)通过对射流初始阶段不同破口位置的气囊射流流场分析得出:由于子弹与气囊破口空间位置的不同,射流流场结构在不同截平面的形式不同。当气囊破口在中心位置时,在破口横向截平面上,形成一个类似圆柱绕流的流场结构;破口纵向截平面上,射流流场可看作是平面紊动射流流场到固定平壁面的复杂流场;当气囊破口在长边侧时,在破口横向截平面内,射流流场从类似于圆柱绕流的流场结构变成了类似于附壁射流流场结构形式,在破口纵向截平面内,子弹很快消失了,流场结构逐渐过渡到一般的平面紊动自由射流流场结构;当气囊破口在短边侧时,子弹在破口横向截平面内射流流场结构与气囊在中心位置破裂时的流场结构相似,类似于圆柱绕流流场。破口在纵向截平面内射流流场每一时刻的流场结构可近似等效为一般喷嘴射流到非对称固定平壁面的射流流场。

3)当气囊破口在中心位置和短边侧时相对于气囊未发生破裂时对子弹的姿态影响较大。气囊破口在中心位置时对子弹的速度影响最大,在短边侧时对子弹的角速度影响最大。气囊破口在长边侧时与气囊未发生破裂时对子弹的速度与角速度影响很小。

4)本文的研究结果对研究子母弹分离过程气囊破裂射流流场的特性,对分析子弹受力,预估子弹飞行弹道,了解囊破射流流场对子弹运动的作用机理和影响规律具有参考价值。

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Simulation Analysis on Jet Flow Field Structure Characteristic of Static Scattering Combustion Gasbag of Submunition

NING Hui-jun1,HUANG Kai2,WANG Jin-long3,ZHANG Cheng3,TAO Ru-yi3,WANG Hao3
(1.School of Civil Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,Henan,China; 2.Shanghai Micropowers Co.,Ltd.,Shanghai 201203,China; 3.School of Power and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

A three-dimensional dynamic model of the combustion gasbag rupture projector structure is established to research the rupture of gasbag and its influence on projectile motion during the test of the combustion gasbag.The gasbag rupture jet flow field is simulated by using computational fluid dynamics,and software Fluent the six degrees of freedom equation of rigid body motion is coupled with the fluid governing equation.The variation rule of the internal pressure of gasbag is obtained by comparing the jet flow structure characteristics of free jet and the gasbag rupture jet generated in the dispersal process of submunition.The gasbag rupture jet with different ruptured position at gasbag is simulated,the variation of the internal pressure of gasbag and its influence on projectile motion is obtained.The calculated results show that the existence of the projectile had a great effect on the jet space,and the gasbag rupture jet flow structure is very different from the free jet flow structure.When the gasbag is ruptured at the center posi-tion,it has the greatest impact on the internal pressure of gasbag;and when the gasbag is ruptured at the center or at the short side,it has the greatest impact on the attitude of projectile.

ordnance science and technology;combustion gasbag;gasbag rupture;free jet flow;field structure;motion attitude

TJ012

A

1000-1093(2016)01-0001-09

2015-03-03

宁惠君(1985—),女,讲师,博士。E-mail:ninghui85@163.com

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