基于Fluent的彈頭弧形對(duì)某小型榴彈氣動(dòng)特性影響研究

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　龍虎　任琳

基于Fluent的彈頭弧形對(duì)某小型榴彈氣動(dòng)特性影響研究

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院龍虎任琳

彈頭的形狀對(duì)其空氣動(dòng)力特性、有效載荷和威力有較大的影響。本文設(shè)計(jì)了一款彈頭為圓弧形的小型榴彈，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)自動(dòng)榴彈發(fā)射器的榴彈進(jìn)行數(shù)值模擬與對(duì)比分析，研究不同弧形的彈頭在同一攻角、不同飛行馬赫數(shù)下的氣動(dòng)規(guī)律，為彈丸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

榴彈；數(shù)值模擬；氣動(dòng)特性

自動(dòng)榴彈發(fā)射器射速高、火力密度大，可直瞄射擊也可曲射用以攻擊障礙物后的目標(biāo)。配合殺傷彈和穿甲彈等多種榴彈，可用于面殺傷敵集群有生目標(biāo)，也可用于有限的反裝甲作戰(zhàn)。提高火力性能、機(jī)動(dòng)性能以及擴(kuò)大使用范圍等方面是自動(dòng)榴彈發(fā)射器技術(shù)改進(jìn)的主要方向，同時(shí)增加新彈種和新型引信可以明顯提高榴彈發(fā)射器的火力性能，而引信參數(shù)又關(guān)系到小型榴彈彈頭的外形參數(shù)，影響其氣動(dòng)特性，故對(duì)于彈丸的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)分析就顯得比較重要?，F(xiàn)有的某自動(dòng)榴彈發(fā)射器多采用半球形彈頭，本文擬設(shè)計(jì)一款圓弧形彈頭，研究彈頭弧形對(duì)某小型榴彈氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。

1彈丸設(shè)計(jì)及其幾何模型

設(shè)計(jì)圓弧形彈頭長d為35mm，采用半徑R為40.625mm弧面，彈經(jīng)D為40mm，彈長L為110mm（圖1），兩彈彈經(jīng)與彈長一致（圖2）。

圖1　圓弧形榴彈結(jié)構(gòu)

圖2　半球形榴彈結(jié)構(gòu)

2 fluent數(shù)值仿真

2.1計(jì)算域的確立及網(wǎng)格的劃分

本研究設(shè)定榴彈外部流場(chǎng)為三維定?？蓧嚎s流動(dòng)，因?yàn)槭褂肍luent軟件分析飛行器在不同的攻角、馬赫數(shù)等工況下的氣動(dòng)力規(guī)律時(shí)，外部的擾流流場(chǎng)一般假定是定常、可壓縮的。由于榴彈擾流流場(chǎng)的計(jì)算要求在其附近布置足夠密的網(wǎng)格，而計(jì)算域相對(duì)榴彈必須得足夠大，以滿足一定的計(jì)算精度，故本文將計(jì)算域分為兩層圓筒型流場(chǎng)（圖3），內(nèi)層網(wǎng)格劃分較密，外層網(wǎng)格劃分較稀疏，采用非機(jī)構(gòu)化的三角形或四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖4）。

圖3　計(jì)算域示意圖

圖4　網(wǎng)格劃分示意圖

2.2邊界條件的設(shè)定及計(jì)算模型的選擇

設(shè)定計(jì)算域最外層圓筒端面及圓筒表面為Pressure_Far_Field壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，由于一般設(shè)置參考?jí)毫榱?，故在邊界條件的參數(shù)設(shè)置中來流壓力設(shè)置為絕對(duì)壓力即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓?；厩蠼馄鬟x擇Density Based密度基求解器，由于采用的是三角形或四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，選擇基于節(jié)點(diǎn)的Green-Gauss Node Based高斯克林函數(shù)方法計(jì)算梯度，以獲得更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。湍流模型選擇Spalart-Allmaras模型，該模型比較適合于空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究當(dāng)中，由于只求解一個(gè)關(guān)于渦粘性的方程，其計(jì)算量也顯得相對(duì)較小。

2.3模擬計(jì)算過程

求解控制參數(shù)設(shè)置中差分格式采用Second Order Upwind二階迎風(fēng)格式，其精度比一階迎風(fēng)格式高。完成求解控制參數(shù)的設(shè)置后即開始進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，在Fluent計(jì)算過程中，根據(jù)模擬要求設(shè)置榴彈的攻角與馬赫數(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控阻力系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl和俯仰力矩系數(shù)Cm等氣動(dòng)特性參數(shù)隨迭代次數(shù)的變化情況，當(dāng)曲線穩(wěn)定與收斂時(shí)即為其在某一工況下系數(shù)的最終值。如圖5～圖7所示，攻角為4°，馬赫數(shù)為0.6時(shí)的氣動(dòng)特性曲線。

圖5　阻力系數(shù)隨迭代次數(shù)變化曲線

圖6　升力系數(shù)隨迭代次數(shù)變化曲線

圖7　俯仰力矩系數(shù)隨迭代次數(shù)變化曲線

3模擬結(jié)果分析

本文模擬仿真了兩種榴彈在攻角為4°，阻力系數(shù)、升力系數(shù)與俯仰力矩系數(shù)在不同馬赫數(shù)（0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.85 0.9 0.95）時(shí)的變化規(guī)律，如圖8、9、10所示。從仿真結(jié)果可以看出：兩種榴彈阻力系數(shù)隨著馬赫數(shù)的增加而變大，在接近音速時(shí)達(dá)到最大。在同一馬赫數(shù)下，半球形榴彈明顯比圓弧形榴彈阻力系數(shù)大；兩種榴彈升力系數(shù)差異較大，圓弧形榴彈升力系數(shù)隨著馬赫的增加而變大，在馬赫數(shù)為0.9時(shí)達(dá)到最大，而后開始減小。半球形榴彈隨馬赫數(shù)增加而變大，到0.5馬赫數(shù)時(shí)停止變大并開始減小，到0.95馬赫數(shù)附近時(shí)達(dá)到最大。馬赫數(shù)小于0.42附近且大于0.55馬赫數(shù)時(shí)圓弧形榴彈升力系數(shù)較大，在0.42附近與0.55馬赫數(shù)之間半球形榴彈升力系數(shù)較大；兩彈在0.5馬赫數(shù)時(shí)俯仰力矩系數(shù)達(dá)到最大，小于0.5馬赫數(shù)時(shí)，半球形榴彈俯仰力矩系數(shù)較大，大于0.5且小于0.82馬赫數(shù)時(shí)，圓弧形榴彈俯仰力矩系數(shù)較大，大于0.82馬赫數(shù)時(shí)半球型力矩系數(shù)較大。

圖8　阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化曲線

圖9　升力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化曲線

圖10　俯仰力矩系數(shù)隨馬赫數(shù)變化曲線

4結(jié)論

本文以現(xiàn)有采用半球形彈頭榴彈為參考，設(shè)計(jì)了采用圓弧形彈頭的榴彈。通過流體仿真軟件Fluent對(duì)兩種榴彈進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了兩者阻力系數(shù)、升力系數(shù)與俯仰力矩系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化曲線。仿真結(jié)果對(duì)比分析得出圓弧形榴彈阻力系數(shù)較小，升力系數(shù)較大，其升阻比要大于半球形榴彈升阻比，具有較好的氣動(dòng)特性，同時(shí)本研究也為彈頭參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種參考。

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龍虎，1988出生，四川資陽人，在讀碩士，研究方向：發(fā)射系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)。