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第一章 枪炮内弹道循环与膛内压力波1

1.1引言1

1.2膛内射击现象与流场特性2

1.2.1膛内射击现象2

1.2.2膛内流场特性5

1.3膛内压力波现象及其产生的机理6

1.3.1压力波物理现象6

1.3.2膛内压力波的测试方法10

1.3.3膛内压力波的特征分析11

1.3.4压力波的传播规律13

1.3.5压力波形成机理13

1.3.6压力波、火焰波和应力波的相互关系15

1.4影响压力波的因素分析17

1.4.1点火引燃条件17

1.4.2初始气体生成速率20

1.4.3装填密度21

1.4.4火药床的透气性22

1.4.5药室自由空间的影响24

1.4.6其他因素25

1.5压力波的定量描述27

1.5.1压差法27

1.5.2压力波频谱分析法29

参考文献35

第二章 火药颗粒床挤压和破碎的力学现象37

2.1引言37

2.2火药床压缩特性及颗粒间应力37

2.2.1点火传火过程中火药床受力分析37

2.2.2探测膛内药粒运动的脉冲X光摄影实验39

2.2.3火药颗粒的压缩特性43

2.2.4火药床的压缩特性与颗粒间应力49

2.2.5颗粒床应力波一维模型58

2.3火药颗粒破碎特性60

2.3.1火药破碎度60

2.3.2火药床动态破碎实验61

2.3.3单颗粒火药落锤撞击破碎实验65

2.4火药颗粒破碎的粘弹性理论69

2.4.1火药颗粒非线性粘弹模型69

2.4.2破坏函数74

2.4.3计算结果与实验结果的比较76

2.5火药颗粒碰撞破碎数值模拟78

2.5.1火药碰撞时机械载荷的分析78

2.5.2计算编码和材料模型79

2.5.3数值模拟结果80

2.6火药破碎对内弹道性能影响的实验研究81

2.6.1密闭爆发器燃烧实验81

2.6.2火药破碎对压力波的影响83

参考文献84

第三章 反应两相流内弹道理论基础86

3.1引言86

3.2运动控制体的流体力学平衡方程87

3.2.1运动体积和Reynolds输运定律87

3.2.2物质体积及其平衡方程88

3.2.3控制体、运动控制体及其平衡方程89

3.3粒状火药床气固两相流内弹道基本方程90

3.3.1基本假设90

3.3.2分流法双流体模型两相流内弹道平衡方程91

3.3.3统计平均法双流体模型两相流内弹道平衡方程98

3.3.4颗粒轨道模型两相流内弹道平衡方程104

3.4辅助方程105

3.4.1相间阻力106

3.4.2相间热交换108

3.4.3状态方程109

3.4.4燃烧速率110

3.4.5形状函数111

3.4.6点火准则和火药表面温度111

3.5管状发射药床两相流内弹道模型112

3.5.1开槽管状药113

3.5.2未开槽管状药114

3.6混合装药多相流内弹道数学模型117

3.6.1基本假设117

3.6.2基本方程118

3.6.3可燃药筒与其他点火元件的方程120

3.7多维两相流内弹道数学模型122

3.7.1多维两相流内弹道平衡方程122

3.7.2柱坐标系下三维两相流内弹道平衡方程125

3.7.3轴对称两相流内弹道平衡方程128

3.8内弹道两相湍流数学模型129

3.8.1基本假设130

3.8.2时均方程组130

3.8.3 k-ε-kp模型131

3.8.4 k-ε-Ap模型133

参考文献134

第四章高密实火药床燃烧转爆轰138

4.1引言138

4.2高密实粒状火药床燃烧转爆轰基础实验139

4.2.1实验装置139

4.2.2实验结果140

4.2.3实验现象的分析143

4.3燃烧转爆轰的数值模拟146

4.3.1基本假设与守恒方程147

4.3.2本构方程149

4.3.3数值计算方法153

4.3.4燃烧转爆轰过程计算结果分析156

4.4颗粒床的动态与稳态压缩158

4.4.1准静态、动态压缩实验158

4.4.2稳态压缩波分析159

4.5两相稳态爆轰波分析167

4.5.1理论模型167

4.5.2平衡终态分析168

4.5.3冲击波不连续条件171

4.5.4两相爆轰结构172

4.6粒状火药床燃烧转爆轰的机理174

参考文献177

第五章 反应两相流内弹道模型的数值模拟180

5.1引言180

5.2一维两相流内弹道模型的数值求解181

5.2.1向量形式两相流内弹道控制方程组181

5.2.2方程组类型182

5.2.3差分格式及稳定性条件186

5.2.4边界条件与初始条件188

5.2.5网格自动生成技术191

5.2.6间断处理及人工粘性191

5.2.7滤波和守恒性检查192

5.3轴对称两相流内弹道模型数值求解方法193

5.3.1向量形式的两相流基本方程193

5.3.2坐标变换及方程变换194

5.3.3计算方法195

5.3.4初始条件与边界条件196

5.3.5人工粘性197

5.4三维两相流内弹道模型数值求解方法199

5.4.1柱坐标系下主装药床控制方程199

5.4.2坐标变换形式200

5.4.3分裂差分格式设计202

5.4.4壁面边界单侧差分格式202

5.4.5数值振荡抑制方法203

5.5单一粒状药床内弹道数值模拟结果及分析204

5.5.1常规金属点火管点火结构204

5.5.2烟火双层点火管点火结构205

5.5.3喷管点火管点火结构207

5.5.4不同点火结构的理论与试验压力波的比较分析207

5.6单一管状药床内弹道模拟结果及其分析208

5.6.1开槽管状药床208

5.6.2未开槽管状药床209

5.7混合装药床内弹道模拟结果分析212

5.7.1两种粒状药组成的混合装药床212

5.7.2 76 mm火炮214

5.7.3 105 mm火炮215

5.7.4 130 mm加农炮216

5.7.5 152 mm榴弹炮220

5.8装药间隙对压力波影响的数值模拟221

5.9火药破碎对压力异常影响的数值模拟224

5.9.1火药破碎与颗粒间应力225

5.9.2模拟结果及其分析225

5.10轴对称两相流内弹道数值模拟227

5.11三维两相流内弹道数值模拟229

5.12内弹道数值模拟小结231

参考文献233

第六章 火药床点火与传火236

6.1引言236

6.2点火基本概念与点火准则237

6.2.1点火基本概念237

6.2.2点火准则238

6.3火药热分解实验239

6.3.1热分解基本特性240

6.3.2热分解动力学参数243

6.4火炮的点火系统244

6.4.1炮膛中的点火和传火244

6.4.2点火系统的基本性能247

6.4.3影响点火过程的因素248

6.5点火理论模型250

6.5.1固相点火理论250

6.5.2气相点火理论252

6.5.3异相点火理论252

6.5.4统一的点火理论253

6.5.5点火理论及模型的比较254

6.6综合点火模型数值分析255

6.6.1物理模型255

6.6.2数学模型256

6.6.3计算方法及结果讨论259

6.7中心点火管数学物理模型及计算262

6.7.1点火管的物理模型262

6.7.2点火管的数学模型263

6.7.3数值计算结果及分析267

6.8新概念点火结构268

6.8.1双管点火和快速点火传播（ RIP）点火管269

6.8.2低速爆轰点火装置（LVD）270

6.8.3激光点火271

6.8.4爆炸网络点火278

参考文献278

第七章 轻气炮内弹道理论280

7.1影响弹丸初速的基本因素280

7.2弹丸最大可能速度281

7.2.1定常假设下的极限速度281

7.2.2经典内弹道理论的弹丸极限速度282

7.2.3非定常等熵假设下的逃逸速度283

7.2.4三种极限速度的讨论284

7.3膛内气体压力扰动的传播285

7.3.1膛内气体压力扰动传播的定性分析285

7.3.2声惯性286

7.4超高速火炮的理想工质289

7.4.1增大逃逸速度289

7.4.2减小声惯性290

7.5一级轻气炮——预燃火炮291

7.5.1预燃火炮发射原理291

7.5.2基本假设和方程组292

7.5.3膛内气体介质中的扰动传播293

7.5.4等截面简波条件预燃炮特征方程294

7.5.5等截面简波条件预燃炮中理想发射药气体方程系295

7.5.6等截面非简波条件下的预燃火炮297

7.5.7有坡膛情况下的预燃火炮299

7.5.8一级轻气炮内弹道数值模拟301

7.6二级轻气炮工作原理及数学模型304

7.6.1二级轻气炮的工作原理304

7.6.2二级轻气炮数学模型305

7.6.3化学反应加热310

参考文献311

第八章 液体发射药火炮推进原理及其内弹道数学模型312

8.1引言312

8.2液体发射药火炮的内弹道循环314

8.2.1整装式液体发射药火炮的内弹道循环314

8.2.2再生式液体发射药火炮的内弹道循环317

8.3高压喷射雾化的实验研究320

8.3.1实验装置321

8.3.2圆柱形喷嘴瞬时射流形态321

8.3.3环形间隙喷嘴瞬时射流形态322

8.3.4射流核323

8.4液体射流破碎和雾化机理324

8.4.1液体射流破碎成液滴的机理324

8.4.2未破碎射流长度的数学描述325

8.4.3射流破碎形成液滴尺寸的数学描述326

8.4.4射流雾化模型327

8.5再生式喷射模型329

8.5.1以往喷射模型的回顾329

8.5.2喷射模型的建立330

8.6液体燃料的物理化学性能332

8.6.1液体燃料的分类及其理化性能332

8.6.2液体燃料性能的基本要求335

8.7 HAN基发射药液滴燃烧337

8.7.1液滴燃烧实验方法338

8.7.2 HAN基发射药液滴燃烧特性339

8.7.3 HAN基发射药液滴燃烧简化模型342

8.8再生式液体发射药火炮内弹道零维模型346

8.8.1内弹道模型应考虑的因素347

8.8.2物理模型及基本假设348

8.8.3基本方程349

8.8.4再生式液体发射药火炮内弹道封闭方程组352

8.8.5初始条件353

8.9再生式液体发射药火炮内弹道Lagrange问题355

8.9.1气动力数学模型和速度分布355

8.9.2弹后空间压力分布357

8.9.3弹后空间的平均压力358

8.10计算例题359

8.11再生式液体发射药火炮内弹道气液两相双连续数学模型362

8.11.1物理现象和基本假设362

8.11.2数学模型364

8.11.3定解条件367

8.11.4数值解的坐标变换367

8.12再生式液体发射药火炮内弹道气液两相轨道模型368

8.12.1物理模型368

8.12.2数学模型369

8.13整装式液体发射药火炮气液两相流内弹道数学模型373

8.13.1整装式液体发射药火炮的内弹道特点373

8.13.2数学模型374

8.13.3液体卷吸378

8.13.4边界条件379

8.14液体发射药火炮的点火380

8.14.1点火器的基本要求380

8.14.2电点火381

8.14.3其他点火方式384

参考文献385

第九章 电磁推进原理及其内弹道数学模型387

9.1电磁推进概念、意义及应用前景387

9.1.1电磁炮的发展概况387

9.1.2电磁炮的优点及应用前景389

9.1.3电磁炮的关键技术391

9.2电磁炮的分类392

9.2.1导轨炮392

9.2.2线圈炮393

9.2.3重接炮393

9.3电磁导轨炮的内弹道模型395

9.3.1固体电枢内弹道方程组395

9.3.2等离子体电枢内弹道方程组397

9.3.3转换效率400

9.4分散馈电导轨炮401

9.4.1分散馈电的作用及方式401

9.4.2分散馈电导轨炮内弹道方程组403

9.5箍缩电磁炮404

9.5.1箍缩电磁炮的概念404

9.5.2箍缩电磁炮的理论模型405

9.6电磁火箭炮408

9.6.1基本概念及分类409

9.6.2理论模型410

9.7电磁线圈炮的空间应用411

9.7.1小卫星发射412

9.7.2月球氧的运送412

参考文献413

第十章 电热化学炮内弹道理论415

10.1电热化学炮的发射原理415

10.2受约束高压放电等离子体的基本性质416

10.2.1等离子体存在的基本条件416

10.2.2等离子体的鞘层417

10.2.3等离子体状态方程418

10.2.4等离子体的宏观方程419

10.3化学工质的选择及其热化学性能421

10.3.1化学工质的分类421

10.3.2工质的热化学性质422

10.4等离子体与化学工质的相互作用426

10.4.1化学工质的反应速率426

10.4.2影响化学工质反应速率的因素428

10.4.3化学工质反应速率对内弹道性能的影响429

10.5电热化学炮内弹道经典模型432

10.5.1放电管等离子体数学模型433

10.5.2燃烧室内弹道数学模型435

10.5.3计算举例438

10.6液体发射药电热化学炮内弹道一维两相流模型439

10.6.1物理模型439

10.6.2放电管内等离子体一维流动数学模型440

10.6.3燃烧室一维两相流数学模型440

10.6.4算例443

10.7电热炮脉冲功率源444

10.7.1电容器组储能技术445

10.7.2电容器组放电技术447

10.7.3脉冲形成网络及数学模型449

参考文献450

第十一章 冲压加速发射原理452

11.1引言452

11.2冲压加速原理及工作模式454

11.2.1冲压加速原理概述454

11.2.2冲压加速工作模式456

11.3混合气体工质457

11.3.1混合气体种类及热力学性质458

11.3.2混合气体的燃烧实验458

11.3.3混合气体的高压不稳定燃烧分析459

11.3.4频谱分析460

11.3.5混合气体工质的C-J爆轰速度461

11.4亚音速燃烧热节制推进一维内流场数值模拟464

11.4.1基本假设464

11.4.2平衡化学一维数学方程464

11.4.3计算结果分析468

11.5亚爆轰推进一维模型的解析解470

11.5.1量纲一的推力表达式470

11.5.2弹道效率与推力压力比473

11.6冲压加速器非反应流数值计算475

11.6.1基本方程475

11.6.2网格生成476

11.6.3计算方法477

11.6.4边界条件478

11.6.5计算结果分析478

11.7冲压加速器化学反应湍流理论模型479

11.7.1控制方程479

11.7.2湍流模型482

11.7.3化学反应模型482

11.7.4平衡动力学模型483

11.7.5计算格式485

11.8冲压加速器反应流场分析486

11.9冲压加速过程的测试技术490

11.9.1测试方法490

11.9.2三种工作模式实验结果分析491

11.9.3冲压加速气动力分析494

参考文献497

第十二章 装药安全性评估501

12.1引言501

12.2膛炸模式及其机理503

12.2.1膛炸模式503

12.2.2膛炸机理分析505

12.3压力波安全性评估与压力波敏感度507

12.3.1压力波安全性评估507

12.3.2某些火炮装药的压力波敏感度曲线分析509

12.4装药安全性的评估方法516

12.4.1基于-△pi的评估方法516

12.4.2基于频谱分析的评估方法519

参考文献520

第十三章 内弹道循环随机模拟521

13.1膛内射击过程的随机现象521

13.1.1装药量分布及统计特征522

13.1.2火药厚度分布及统计特征525

13.1.3最大压力分布及统计特征526

13.1.4初速分布及统计特征527

13.2 Monte-Corlo法在内弹道随机模拟中的应用528

13.2.1基本理论及计算公式528

13.2.2内弹道循环随机模拟的实施530

13.3计算举例531

参考文献534

中英文人名对照表535