[发明专利]一种燃气射流冲击液体水柱内弹道性能的仿真计算方法

权利要求书

1.一种燃气射流冲击液体水柱内弹道性能的仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：预设仿真计算模型前提条件；

S2：基于步骤S1的前提条件建立气液物理作用过程模型；

S3：基于气液物理作用过程模型将整个内弹道过程划分为四个仿真计算阶段，所述四个仿真计算阶段分别为：燃气生成流量计算阶段、燃气流入圆柱管内状态计算阶段、圆柱管内液柱运动计算阶段和高低压室压力计算阶段；

S3：获取高低压室压力曲线；

所述步骤S1中仿真计算模型前提条件包括火药燃烧条件、燃气产生条件、燃气流动方式、平均压力模型和次要功处理方法五个条件；

所述步骤S3中燃气生成流量的计算步骤如下：

步骤S3.1-1：计算燃烧室内燃气发生量

推进剂燃速方程：

推进剂形状函数：

式中Z为已燃厚度百分比，t为时间，u₁为燃速系数，p为燃烧室内的平均压力，n为燃速指数，e₁为推进剂初始弧厚的一半，Z_k为推进剂分裂后碎粒全部燃完时的燃去相对厚度，如果d_s为碎粒断面的内切圆半径，则Z_k＝(e₁+d_s)/e₁，ψ为火药已燃质量百分比，χ、λ、μ为推进剂形状特征量，χ_s、λ_s为推进剂在分裂时刻的形状特征量；

燃烧室内燃气状态方程：

式中f为推进剂火药力，ω为推进剂质量，τ＝T/T_z为燃烧室内的绝对温度与推进剂燃烧爆温的比值，η为燃烧室内燃气流入到圆柱管内的相对流出量，f₁为点火药火药力，ω₁为点火药质量，V₀为燃烧室容积，ρ_p为推进剂密度，α为推进剂燃烧产生气体的余容，α₁为点火药燃烧产生气体的余容；

燃烧室系统内的能量方程：

式中k_n为推进剂燃烧产生燃气的比热比；

步骤S3.1-2：计算燃烧室喷口燃气流出量

燃烧室内燃气流出的相对流出量方程：

式中为流量损耗系数，S_t为喷管喉部面积，p_b为圆柱管内的平均压力，理想假设燃烧室喷口喷出的所有燃气均无损失喷入圆柱管口；

所述步骤S3中燃气流入圆柱管内状态的计算步骤如下：

步骤S3.2-1：计算燃气管内状态

圆柱管内燃气状态方程：

式中τ₁＝T₁/T_z为圆柱管内的绝对温度与推进剂燃烧爆温的比值，η₁为当液体水柱全部从圆柱管内喷出后圆柱管内燃气流入到外界大气环境的相对流出量，为次要功计算系数，m为液体水柱的质量，v为液体水柱的运动速度，V_ψ为圆柱管内喷管出口与液体柱之间的初始自由容积，V₁为燃气冲击液柱引起的自由容积的增加；

圆柱管系统内的能量方程：

步骤S3.2-2：计算燃气管内流出量

圆柱管内燃气流出的相对流出量方程：

式中S_d为圆柱管出口横截面积，P_a为外界环境大气压力；

所述步骤S3中圆柱管内液柱运动的计算过程如下：

液柱运动方程：

式中l为液柱运动位移，P_f为液柱运动阻压，S_n为燃气对液柱的有效推力面积，为液柱质量修正系数；

空腔容积变化方程：

式中r′为空腔顶部到内管口垂直距离，r为内管半径；

所述步骤S3中采用内弹道方程组对高低压室压力进行计算；

所述步骤S3中采用四阶龙格-库塔法对燃气射流冲击液柱过程的内弹道方程组进行求解，其具体计算方法如下：

对于一阶微分方程组：

设定变量i＝1,2,…,n，则上述微分方程组的初值为y_i(t)＝y_i0，进而四阶龙格—库塔法的公式可写成：

在公式的右端h＝t_k+1-t_k为时间步长，括号内的各阶变量的赋值公式如下所示：

通过以上四阶龙格-库塔法逐步迭代，得到一阶微分方程组式(12)的数值解，对于燃气射流冲击液柱平衡体的内弹道方程组而言，以时间t为自变量，当各变量被赋予初值后，调用四阶龙格-库塔法就可积分一个时间步长，重复逐步积分下去得到弹道性能参数；

其中，弹道性能参数包括高压室压力、低压室压力；所得到的数据通过作图即获得在整个燃气射流作用液柱过程中高压室压力、低压室压力随时间变化的曲线。

2.根据权利要求1所述的一种燃气射流冲击液体水柱内弹道性能的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S2中气液物理作用过程模型分为气液未接触、气液冲击初始、气液作用推进、圆柱管内无液体四个阶段。