Сравнительный анализ численного и приближенных аналитических решений задачи о разгоне поршня в трубе сжатым газом
Авторы: Быков Н.В.
Опубликовано в выпуске: #2(86)/2019
DOI: 10.18698/2308-6033-2019-2-1852
Раздел: Механика | Рубрика: Механика жидкости, газа и плазмы
Проведено математическое и численное моделирование процесса газодинамического разгона поршня в направляющей трубе (баллистическая задача Лагранжа). Рассматриваются два подхода к приближенному аналитическому решению задачи: приближение однородной деформации, в рамках которого получено новое точное решение для траектории поршня в безразмерной форме, и решение в области простой волны, для которого получены новые оценки пределов применимости. Волновое движение газа исследуется путем численного решения безразмерных уравнений газовой динамики на подвижной сетке. Проведен анализ областей работоспособности приближенных аналитических решений по сравнению с численными. Приведен расчет модельного примера, на котором сравниваются результаты расчетов по различным моделям и проводится оценка диапазонов изменения безразмерных параметров с точки зрения практического применения. Безразмерное представление решений позволяет придать общность полученным результатам. Рассмотрен вопрос об энергетической эффективности процесса разгона поршня сжатым газом на основе анализа коэффициента полезного действия. Показано, что с увеличением длины трубы и отношения массы сжатого газа к массе метаемого поршня коэффициент полезного действия уменьшается
Литература
[1] Seiler F., Igra O., ed. Hypervelocity Launchers. Springer, 2016, 300 p.
[2] Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И., Попов Н.Н. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях. Москва, Наука, 1974, 344 с.
[3] Павленко А.В., Балабин С.И., Козелков О.Е., Казаков Д.Н. Одноступенчатая газовая пушка для изучения динамических свойств конструкционных материалов в диапазоне до 40 ГПа. Приборы и техника эксперимента, 2013, № 4, с. 122–124.
[4] Jones D.R., Chapman D.J., Eakins D.E. A gas gun based technique for studying the role of temperature in dynamic fracture and fragmentation. J. Appl. Phys., 2013, vol. 114, p. 173508.
[5] Horák V., Do Duc L., Vítek R., Beer S., Mai Q.H. Prediction of the Air Gun Performance. Advances in Military Technology, 2014, vol. 9 (1), pp. 31–44.
[6] Григорьев В.В., Исаков С.Н., Петров Р.Л., Юркин С.В. Газодинамическое исследование пневматического линемета. ЖТФ, 2006, т. 76, вып. 3, c. 75–80.
[7] Johnston A., Krishnamoorthy L.V. A Numerical Simulation of Gas Gun Performance. Defence Science and Technology Organisation, 2008, DSTO-TN-080.
[8] Plassard F., Mespoulet J., Hereil P. Analysis of a single stage compressed gas launcher behaviour: from breech opening to sabot separation. 8th European LS-DYNA Users Conference, 2011, vol. 8, pp. 1–11.
[9] Moradi A., Ahmadikia H. One-Dimensional and Axisymmetric Numerical Simulation of a Single-Stage Gas Gun. Adv. Theor. Appl. Mech., 2011, vol. 4 (3), pp. 101–111.
[10] Moradi A., Khodadadiyan S. Study of Real Gas Behaviour in a Single-Stage Gas Gun. Int. J. of Mechanical and Mechatronics Eng., 2011, vol. 5 (6), pp. 948–952.
[11] Seigel A.E. The theory of high speed guns. NATO AGARD, 314 p.
[12] Gardiner P.A., Egawa Y., Watanabe K. Performance evaluation of single stage diaphragmless vertical gas gun for nitrogen and helium gas propellants. Mechanical Engineering Journal, 2016, vol. 3 (6), pp. 16–00273.
[13] Denny M. Gas gun dynamics. Eur. J. Phys., 2013, vol. 34, pp. 1327–1336.
[14] Luo H., Baum J.D., Lőhner R. On the computation of multi-material flows using ALE formulation. J. of Comp. Phys., 2004, vol. 194, pp. 304–328.