底部排气增程的原理是在常规炮弹底部增加一个底部排气装置,在炮弹飞行阶段前期向炮弹底部排放低动量、高能量燃气来增加底压,从而减小炮弹前后压力差,达到增程的目的。采用底部排气减阻技术的增程炮弹称为底部排气增程弹,简称底排弹。本文以底部排气减阻技术为研究背景,基于计算流体力学的巨大潜力和优点,发展了二维/三维多块结构网格化学非平衡流动数值计算方法,建立了底排弹底部流动与燃烧模型,对底排真实燃气条件下的底部排气流场结构、减阻机理、底排弹出膛口泄压过程以及真实飞行状态下底排装置工作过程进行了深入系统研究,为底部排气减阻理论与技术、底排弹相关的工程研制提供重要参考。本文主要工作如下:一、针对复杂化学反应流场,以多组分雷诺时均Navier-Stokes方程组为基础,采用高阶迎风格式、有限速率化学反应模型和OpenMP并行算法,发展了基于多块结构网格的二维/三维化学非平衡流动数值计算方法。网格界面上物理量的重构采用NND、WENO、MUSCL三种方法,对流通量采用Steger-Warming、Van Leer、HLLC、AUSMDV和AUSMPW+等多种格式。湍流模型采用了一方程湍流模型和两方程湍流模型,湍流模型与流动控制方程解耦求解。采用时间算子分裂算法处理化学反应刚性问题。采用OpenMP并行计算方法,以提高数值计算效率。通过对多个复杂算例进行的数值验证表明,本文发展的数值方法可靠性和计算精度高,并且对不同流场具有良好的适用性。二、建立了合理、可靠的底排弹底部流动与燃烧模型,研究了底排真实燃气条件下底排流场结构与减阻机理,研究了底排真实燃气时发生二次燃烧的主要区域和燃烧过程,研究了来流马赫数对底部流场结构和底部压力分布的影响,研究了排气参数、排气面积、排气总温对底部流场结构和减阻特性的影响规律和机理,研究了来流攻角和弹体船尾角对底部流场结构以及全弹气动特性的影响,获得了底排弹底部流场结构与气动特性随攻角和船尾角的变化规律。三、为了探索排气结构对减阻性能的影响,提出了边缘型排气结构,开展了常规的中心型排气和边缘型排气的减阻性能研究。结果表明:边缘型排气时,底压比随排气参数的增大而呈增大的趋势,总阻力系数随排气参数的增大而减小;中心型排气时,底压比随着排气参数的增大而呈先增大后减小的趋势,总阻力系数随排气参数的增大而呈先减小后增大的趋势;在适当的排气参数范围内时,边缘型排气的减阻性能优于中心型排气。四、采用动态嵌套网格技术处理底排弹运动问题,建立了包含高速运动底排弹的膛口流场计算方法。对含运动底排弹的膛口流场进行了数值模拟,清晰地描述了膛口流场的发展过程、性质及底排弹与膛口流场的相互影响,得到了目前尚无法实验测试的底排装置泄压数据与规律。研究结果表明:针对初速为900m/s、膛口压力为60MPa的发射工况,在出炮口的1.0ms时间内,底排装置泄压速率高达104MPa/s;在3.0ms以后,底排弹穿过膛口冲击波,进入自由飞行阶段。五、将发展的流场数值计算方法与质点外弹道模型相结合,建立了耦合质点飞行弹道、底排弹流场数值模拟和全弹气动特性的计算模型,可以较为真实地模拟底排弹的飞行过程以及飞行条件下底排装置工作参数、工作状态、底排流场结构等随时间的变化。研究结果表明:随着发射点海拔高度的增加,药柱燃烧时间增大,全弹道飞行时间和射程也会增加,而增程率则逐渐降低;提高药柱燃速,药柱燃烧时间和减阻阶段变短,导致射程和增程率同时降低。因此,为了在工程实践中获得好的减阻效果,应注意两个方面的匹配性:一是底部排气质量流率及其随时间的变化规律与飞行条件的匹配,二是燃速与燃面的匹配。