《应用试验、数值计算和计算流动图象显示技术研究爆炸波与超声速运动物体的相互作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应用试验、数值计算和计算流动图象显示技术研究爆炸波与超声速运动物体的相互作用（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5 3 7应用试验、数值计算 和计算流动图象显示技术研究 爆炸波与超声速运动物体的相互作用倪鸿礼王惠玲吴颖川杨辉( 中国空气动力研究与发展中心，绵阳，6 2 1 0 0 0 )摘要：本文应用试验、数值计算和计算流动图象显示三种技术手段，研究爆炸波与超声速运动物体的相互作用问题。利用爆炸装置和弹道靶组合设备，采用压力测量和光学成像手段，试验研究了爆炸波喷流以及爆炸波与超声速飞行圆锥的作用；通过发展分块运动重叠网格技术、建立两套座标体系，数值计算解决了流场中同时存在两类不同运动形式的流动计算模拟；对计算结果应用计算流动图象显示处理技术，使计算结果可以与试验图象直接比较，计算结果再现了实验中所观察到
2、的波系干扰，并通过数值计算得到爆炸波垂直于圆锥飞行方向与圆锥用时，在圆锥表面产生的冲击载荷。根据本文的研究结果，1 2 9 化学炸药爆炸形成的爆炸冲击波与超声速运动物体相遇，会对物体造成很大的冲击影响，产生的最大冲击压力峰值为其未受扰动时的2 9 倍。1 引言超声速飞行器在飞行过程中通过爆炸形成的冲击波时，便会出现爆炸波、激波同时作用于飞行物体的复杂流动现象。一方面以超声速飞行的物体在其前缘会形成弓形激波，物体受到弓形激波后流动的影响，另一方面，爆炸波是一类强间断流动，在运动过程中碰到物体，会对物体产生很强的冲击波载荷；当爆炸波首先遇到飞行物体前缘的弓形激波后，形成两类波的干扰作用( 这一现象
3、有时也称双波干扰) ，干扰后的爆炸波会穿过弓形激波到达飞行物体表面形成对物体的二次作用。由于两类间断波同时作用于飞行物体，造成物体表面承受巨大的瞬时作用力，从而可能造成改变飞行物体的运动状态，甚至破坏物体的内部结构。图l 是典型的爆炸波与超声速飞行物体相互作用示意图。根据国外六十年代初的试验研究结果，以马赫数M 8 _ 2 。4 5飞行的半锥角为9 度的圆锥，在受到与飞行物体成4o 度、运动激波马赫数M s - - 2 2 6 的爆炸波作图1 典型的爆炸波与 超声速飞行物体相互作用示意图5 3 8 倪鸿耗等：应用试验、数值计算和计算流动图象显示技术研究鼹炸波s 趣声速运动物体的相互作用用后，在
4、物体迎风面产生的峰值冲击压力为无爆炸波作用时压力的1 4 5 倍，背风面的峰值压力为4 2 2 倍。这是一类典型的多波系相互干扰的流动问题，涉及复杂的激波反射、绕射等物理现象，而且这类研究成果对飞行器的结构设计、武器系统的突防拦截等方面有重要的意义，国外自6 0 年代初便开展了理论与实验研究，7 0 年代以后，很少公布该方面的研究结果，直至2 0 0 2年，美国华盛顿邮报报道：美国有意重新研发一项因备受争议而搁置了三十年的计划发射核弹头到高空引爆，以拦截来犯的核武器或生化武器导弹。国内8 0 年代初，对此类流动的实验方案进行了论证，并利用激波管与激波风洞的组合设备进行了楔面、圆锥的头激波与平面
5、波相互作用的两波干扰实验，但是由于试验的复杂性使得难以获得定量的研究结果，实验结果只能提供定性分析。也有一些工程的和数值计算的结果，但都局限在定常解的范围内，未能真正反映出激波与超声速飞行物体相互作用这一非定常过程，至于有关爆炸形成的冲击波与飞行物体的作用却少有报道。由于流场中同时出现两类不同运动形式且相互干扰，大大增加了研究这类问题的难度，为此必须发展先进的计算、试验、测量显示技术来解决这类复杂干扰流动问题。本文利用爆炸波装置和弹道靶设计了爆炸波与超声速飞行物体作用的试验( 如图2 ) ，采用光栅干涉技术获得了清晰的两波作用显示图象；通过发展动态网格重叠技术和计算流动图象显示技术，进行数值模
6、拟，并将数值模拟结果转换成千涉图象与试验结果直接比较，验证数值计算的有效性；综合试验、计算和计算流动图象显示技术得到飞行器受两波作用后表面产生的冲击波载荷。2 实验研究为了模拟爆炸波与激波同时作用于物体，利用激波管和弹道靶组合设备，设计了爆炸波与超声速运动物体的相互作用( 如图3 ) 。形成爆炸波的装置如图4 所示，图2 爆炸波与飞行体作用示意图图3 弹道靶及爆炸波装置示意图由高压段、直通段、扩张段和喷管四部分组成。高压段上对称分布着雷管固定孔，用于安放炸药。直通段用于得到稳定的爆炸冲击间断，扩张段和喷管主要是增加爆炸波的可使用范围和产生负压作用。在喷管出口附近安装了四只压电晶体传感器，用于测
7、量爆炸波在喷管出口处的运动速度和爆炸波喷流流场的压力分布。当引燃高压段的炸药后，爆炸形成高压的气态产物会迅速沿直管段向低压区传播，通过扩张段和喷管后，便形成具有正负脉冲作用的近似球形的爆炸喷流波形。爆炸波与超声速运动物体的相互作用在自由飞弹道靶上完成，通过火药枪使模型加速。其工作过程为：当火药枪发射模型后，弹道靶上两个片光探测器探测到的自由飞模型信号输入到动态信号记录仪，计算出模型的飞行速度后，给出一个脉冲信号到外同步延时触发器，经过t l 延时输出一个脉冲信号引爆低压电雷管，经过t 2 延时输出一个脉冲信号用于红宝石激光器点灯，经过t 3 延时输出一个脉冲信号用于激光器调Q ，从而照明光学系
8、统并在成像底片上记录到适当位置的自由飞模型与爆炸波相互作用的流场图象。由于物体以超声速运动，难以进行物体表面测量，通过采用光学测量系统( 光栅干涉仪) ，利用获得的流场图象开展分析研究。1 j 高压段，2 、4 、6 - 密封圈，3 直管段，5 过渡段，7 喷管 1 、2 、3 、矿压电传感器用于喷管出口位置压力分布测量 图4 爆炸波装置示意图3 数值计算利用数值求解轴对称N s 方程和三维湍流N s 方程，模拟计算了爆炸波喷流流场和爆炸波与超声速运动物体的相互作用。3 1 控制方程爆炸波及其与超声速运动物体的作用可以用N S 方程描述，以单元体积分形式表示的三维N S 方程为：J 詈咖十J
9、J ( n ) d s = 0( 1 )其中 ，：单元体积，s ：单元体网格表面积，元：网格面外法向方向，! 丝堡整! i 釜! 壅用试验、数值计算和计算流动豳象显示技术研究爆炸波与超声速运动物体的相互作用F =肛pu划4-Ppuv4 - p , u w p u H4 - q - V2一I一y一气l，tJl肛V f 弦I2 + p 一眵+l m W 一Ip v H + q y V 0j篓pw剖2pwP p w HqV肛w 一吃Ip V w f z ) |F()+ 一吃I+ 。一tJ上式中H 为总焓，H = P + P P ，e 和P 分别为内能和压力，z 和q 为粘性应力张量和热流通量，粘性系
10、数p 和普朗特数P r 按下式计算， “= 弘l + 弘t ，P r = p f ( 弘tiP t l + p t h t )( 、3 、)雎采用s o u t l l l 明d 公式计算，采用B a l d w i n L o m a x 代数湍流模型计算湍流涡粘系数从，层流和湍流普朗特数分别取P r = 0 7 2 ， = 0 9 ，比热比常数取= 1 4 。爆炸波喷流计算可以用轴对称方程描述，加一个源项即可。方程用于定常计算时，采用L U - T V D 隐式方法，而非定常计算时采用预估校正的显示格式。3 2 爆炸波与超声速运动物体作用计算 模型在计算爆炸波喷流与超声速运动物体作用中，由
11、于存在两类运动形式，如果采用统一坐标系，网格空间要求较大，而且每计算一步即需要重新生成网格，进行全流场的物理量插值计算，显而易见，这是非常费时，也难以获得预期结果。为了很好解决这一难题，充分利用已有的非定常计算程序，采用两套计算坐标系和两套网格系统，如果不考虑物体的旋转等动态响应时，可通过建立两套坐标系之间的代数关系，完成全流场的计算。图5 是两套坐标系和两套网格，爆炸波以及弹道靶空间构成第一套坐标系和网格系统，超声速飞行物体及其图5 计算区域分块计算网格附近空间形成第二套坐标系和网格系，第二套网格系以超声速运动并穿过第一套网格系。由此可以看出，两套系统必须耦合求解才能完成整个流场计算：第一套
12、网格系的计算必须采用第二套网格系的计算边界值作为其内部值，而第二套网格系计算采用第一套网格系的计算内部值作为边界值，计算是一个动态重叠运算过程，因此必须发展运动重叠网格技术。中国i 木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集3 3 运动重叠网格技术5 4 l针对所研究的问题，这里将爆炸波装置以及试验段的网格作为固定网格，而包含飞行物体的网格随着圆锥物体一起运动，为运动网格。当运动网格进入到固定网格空间时，应用运动重叠网格技术，在插值边界点交换流场数据，从而计算出两波的相互作用。图6 是不同时刻计算超声速运动物体与爆炸波流场干扰的简化网格图。运动重叠的关键是搜索插值计算，由于搜索重叠网格点在
13、另一套网格中的位置非常耗时，必须采用一些加快搜索的方法。本文采用：( 1 ) 适当划分网格块，使边界信息传递计算与插值搜索范围合理分配；( 2 ) 根据运动块边界点在固定块中的位置计算，同时给出固定块需搜索点的边界范围和初值，避免了洞外点、洞边界以内点的大量搜索；( 3 ) 由每个需要搜索点的初值，在其周围附近查找所属网格单元，减少了搜索量；( 4 ) 采用插值计算和流场计算两组网格存储系统，既加快速度又保持了较高计算精度。搜索到重叠网格点之后，物理量的插值计算由包含该点单元体的八点插值公式计算。4 计算流动图象( C H ) 显示技术数值计算是求解流体力学方程及其简化形式的离散近似的计算方法
14、，数值计算存在能够模拟真实流动的可靠性问题，需要经过试验的检验，进而才能拓展试验的研究范围。光学流动显示成像技术特别是干涉成像技术广泛应用于含有激波、爆炸波等可压缩流动试验中，能够测量气体密度分布，提供了大量的流场参数信息，非常适合于数值计算的有效性验证，尤其对于研究爆炸波与超声速运动物体的这类流动问题，而且是最方便、最经济可靠的途径。但是，数值计算的等值图象与试验流动干涉图象不具有可比性，因为数值计算通常给出的是密度、压力、速度等流场参数，数值计算等值线图象通常只是反映一个断面的流动分布，而试验流动光学干涉图象反映的是光线穿过流场试验段后发生的图象变化，是累积效应后的平面成像结果，因此在数值
15、计算与试验之间需要建立一种仿真过程，使试验的光学显示图象能用于数值计算结果的有效性验证。为此引入了数值干涉技术，应用空气动力研究与发展中心已经建立的计算光学流动显示软件，将数值计算得到的流场中物理参数，经过与实验相同的丝型堑巡：丝塑堕竖塑堕堑堂塑塑塑堕堕堕塑塑幽计算光学( 全息干涉) 过程转换为所需的各个方向流动显示图像，从而解决数值计算结果与试验流场图像的直接比较，尤其是对于三维流动。C F I 的特点是能够与试验的流场图像进行直接比较，从而验证数值计算有效性、使数值计算与气动试验有机的结合、并能对复杂流动现象做出更加深入的物理分析。C F I 技术需要重点解决三个问题：( 1 ) 流场光学
16、测量系统的数学建模；( 2 ) 光线穿过离散三维流场的投射点的光强度计算；( 3 ) 光学数字图像的成像方法。这部分技术内容较多，限于篇幅不作深人讨论。5 研究结果与分析5 1 轴对称爆炸波流场研究图7 是1 2 克有机化学炸药爆炸后经锥形喷管形成的轴对称爆炸波流场的实验干涉图与数值干涉图。图7 a , b 分别是实验和数值的有限条纹干涉图。有限图7 轴对称爆；桀嚣慧：三! 善霎臻萋值干涉图比较 条纹干涉图由于在未扰动区引入了水平干涉条纹，所以爆炸波波阵面后面的有限条纹干涉出现不对称现象。图7 c 是无限条纹数值图8 爆炸波喷流流场的密度分布比较干涉图，呈左右对称。图7 清楚地显示，爆炸形成的高压气流经爆炸装置后，形成了准球形爆炸波阵面，爆炸波在绕喷管边缘流动时，产生漩涡流动。图8 中给出了从喷管出口边缘沿对称轴方向0 2 5 D 、0 5 0 D 、0 7 5 D ( D 为喷管出口到爆炸波波阵面的距离) 三个截面的实验与数值计算密度分布的曲线。实验结果是通过干涉图上获取
