某小口径弹丸外流场空气动力特性仿真.pdf

信息技术 王洪超， 等 某小口径弹丸外流场空气动力特性仿真 某小 口径弹丸外流场 空气 动力特性仿真 王洪超 ， 王雨时， 闻泉 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 为 了给某小 口径杀伤破 甲弹 引信设计提供参考 ． 运用 G A M B I T建 立弹丸外流 场数 值仿 真模型 ， 通过 F L U E N T对弹丸外流场进行 了数值 仿真 以获取相 关的 气动力规律 仿真 结果与 1 9 4 3年阻力定律基本一致． 计算所得的气动参数可以为小口径杀伤破甲弹引信的外形设计提 供依据与参考 。 关键词 弹丸 外流场 ；气动力特性 中图分类号 T J 0 1 2 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 5 0 5 0 0 9 9 0 3 F l o w fi e l d Ae r o d y n a mi c C h a r a c t e r i s t i c s S i mu l a t i o n o f S ma l l C a l i b e r P r o j e c t i l e WANG Ho n g c h a o．WANG Yu s h i ．WEN Q u a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s it y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r d e s i g n o f t h e s ma ll c a l ib e r h i g h e x p lo s i v e a mmu n i t i o n f u z e． p r o j e c t il e fl o w fi e l d n u me n - c a l s i mu la t io n mo d e l i s e s t a b li s h e d b y G AMB I T a n d t h e p r o j e c t il e f lo w f ie ld is s imu la t e d b y F L U E N T t o o b t a i n t h e r e l e v a n t la w o f a e r o d yn a mic f or c e． Th e simula t ion r e s ult s a gr e e wi t h 4 3 b a sic l a w o f r e s is t an c e，c alc u l a t ed a er o dy n a mic p ar ame t er s prov i d e b a s is a n d r e f e ren c e f o r t h e d es ign o f t h e a pp e aranc e of t h e s ma l l c ali b er h igh e x p l o s i v e a mmu n i t i o n f u z e． Ke y wo r d s p r o j e c t il e ；f l o w f ie ld； a e r o d y n a mic c h a r a c t e r i s t ic s 0 引言 弹丸外形决定 了其 空气动力 特性 和作战效 能 [ 】 ] 。传 统气动力外形设计方法在对不同设计方案进行风洞试验 综合分析的前提下得到最优的设计方案l 2 ] 。该方法设计 周期长、 效费 比低的缺点已不能适应现代武器设计 的要 求。数值仿真在一定程度上可以代替风洞试验， 并且可以 模拟风洞试验无法模拟的条件， 提供多种计算模型可用于 模拟不可压或可压流动、 定常状态或者过渡分析、 无黏 、 层 流和湍流等情况． 具有极强的流场仿真分析能力。 可用于 进行气动力设计及气动特性参数计算 ] 。 文中采用 F L U E N T对某 弹丸进行 外 流场数 值仿 真 ． 得 到阻 力系 数 、 升 力 系 数 随 马赫 数 、 攻 角 的变 化 规 律。仿真结果与 1 9 4 3年阻力定律相符 ， 计算所得的气 动参数可以为小 口径杀伤破 甲弹的外形设计提供依据 与参 考 1 数值 模型 1 ． 1 弹丸有限元模型 某小口径杀伤破甲弹简化为如图 1 所示几何模型。 由于研究的是弹丸外流场， 所以建立直径和长度均是弹丸 直径和长度 2 0倍的圆柱体来模拟弹丸外部流场， 避免边 界反射引起空气流场中的压力计算不稳定。弹丸置于空 气流场计算域中心位置， 假设弹丸表面为绝热壁， 弹丸附 近网格加密以准确获得阻力系数和升力系数。 ／一 2 ＼ z 图 1 某小 口径杀伤破 甲弹几何模型 1 ． 2 初始条件与边界条件 文 中所研究 的马赫数 和攻 角情 况都 属于定 常流 动范 围． 采用相对运动条件模拟弹丸附近的外流场， 即假设弹 丸静止． 假设来流为理想气体， 选择萨兰德定律计算气体 粘性， 空气以反向相同速度流动， 计算域边界条件设置为 远场压力条件． 湍流模型采用 S A s p a l a r t a l l m a r a s 模 型l 4 ] 。由于求解 的是可压缩流体， 涉及总压和静压等多 种压力 ． 所 以为便 于设置边 界条件 和计算 结果 的后处理 ， 将参考压力置为零 _ 5 。 1 ． 3 气动特性求解 弹 丸的阻力与产生 阻力 的面积 、 飞行 速度 、 飞行 高度 和迎角有关 ， 为了说明阻力特性 ， 用单位面积和单位动压 条件下产生 的压力 ． 即阻力系数表示[ 6 ] X 一 v 2 S 作者简介 王洪超 1 9 8 8 - ， 男， 河北廊坊人， 硕士， 从事小口径弹药引信外形设计及其气动特性研究。 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au t o ma t io n ，Oc t 2 0 1 5 ， 4 4 5 9 9 1 0 1 9 9 信息技术 王洪超 ． 等 某小口径 弹丸外流场 空气动 力特性仿真 式中 X为阻力 ， P为空气密度 ， 为气 流相对 于 弹丸 的流 速 ， S为参考面积。 与阻力系数相似 ， 升力 系数 C 与升力 l ， 之 间的关 系 可表示为 l ， C ， ～ 2 S 二 式中 y为升力 P为空气密度 V为气流相对于弹丸的流 速 S为参 考面积 。 2 仿真结果 计算弹丸在来流马赫数分别为 M 0 ． 2 0 、 0 ． 4 0 、 0 ． 6 0 、 0 ． 8 0 、 0 ． 8 5 、 0 ． 9 0和 0 ． 9 5 ， 攻角分 别为 0 。 、 2 。 、 4 。 、 6 。 、 8 。 、 1 0 。 、 1 2 。 、 1 4 。 、 l 6 。 时的空气流场。某小口径杀伤破甲弹气 动力 参数仿真结果 如表 1 所 列。表中 C 为 阻力 系数 ， C 为升力系数。参考长度为弹丸长度， 以弹丸最大横截面积 为参考 面积 2 ． 1 阻力特性 根据表 I 得到的阻力系数随马赫数变化规律如图 1 所示 ， 马赫数 0 ． 8 ， 阻 力系数随马赫数增大而明显增大 在一同马赫数下阻力系 数随 增大而增大 。 根据表 1 得到 的阻 力系数 随攻 角变化 规律 如 图 2所 示， 当马赫数 0 ． 8 0时， 阻力系数随 攻角的增大而增大， 其变化规律近似于抛物线。 图 1 阻力系数随攻角变化 曲线 图 2 阻力系数随攻角变化 曲线 表 1 某小口径杀伤破甲弹气动力特性参数仿真结果 2 ． 2 升力特性 根据表 1得到的升力 系数 随马赫 数变 化规 律如 罔 3 所示 ， 攻 角 4 。 、 马赫数 0 ． 8 0时 ， 升力 系数 随马赫 数 的增 大而缓慢增大， 当马赫数由 0 ． 9增大至 1 时， 升力系数随 马赫数增大而迅速增 大。 根据表 1 得 到的升力 系数 随攻 角变化规 律如 图 4所 1 0 0h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u rna l ， n e t ． C I I E m a i l ．． Z Z H Dc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 信 息技术 王 洪超 ， 等 某小 口径弹丸外流场空 气动力特性仿真 C x o 0 ． 9 5 0 ． 2 4 3 。杀伤破甲弹弹形系数 i 为 1 ． 2 6 。由此 得到 o ． 8 5 Ma 、 0 。 攻角下阻力系数 C x i 3 C 0 ． 8 5 1 ． 2 6 x 0 ． 1 6 6 0 ． 2 0 9 ， 与仿真值 0 ． 2 1 42的误差为 2 ． 4 ％； 0 ． 9 Ma 、 0 o 攻角下阻力系数 C x i 3 C O ． 9 1 ． 2 6 x 0 ． 1 8 4 0 ． 2 3 2 ， 与 仿真值0 ． 2 4 7 2的误差为 5 ． 4 ％； 0 ． 9 5 M a 、 0 。 攻角下阻力系 数 C i 4 3 c 0 ． 9 5 1 ． 2 6 x 0 ． 2 4 3 O ． 3 0 6 ， 与仿真值 0 ． 2 9 00 的误差为 5 ． 5 ％。误差 均在 1 0 ％以 内． 说 明仿真模 型基 本 合理 ， 仿真结果较 为可信 。 图 3 升力 系数 随马赫数变化 曲线 4 结语 示， 在不同的马赫数下， 升力系数都是随攻角的增大而增 大 的 ， 可近似为线性关 系 ； 当 马赫数 0 ． 9时， 升力系数随 马赫数 的增大 而明显增 大。 图 4 升 力系数 随攻 角变化 曲线 3 仿真结果验证 查阅文献 [ 7 ] ， 得到来流马赫数 0 ． 8 5的 1 9 4 3年标准 阻力函数 c 蚰 0 ． 8 5 为0 ． 1 6 6 ， 来流马赫数 O ． 9的标准阻力 函数 C 加 0 ． 9 0 ． 1 8 4 ， 来流马赫数 O ． 9 5的标准阻力函数 运用 F L U E N T软件对弹丸外流场进行数值仿真． 利用 仿真结果分析阻力系数 、 升力系数随马赫数 、 攻角的变化 规律， 仿真结果与根据 1 9 4 3年空气阻力定律得到的结果 吻合较好， 可以为方案设计提供依据。 参考文献 [ 1 ]韩子鹏．弹箭外弹道学 [ M] ． 北京 北京理工大学 出版 社 ． 2 0 0 8 ． [ 2 ]王保 国， 刘淑艳 ， 黄伟光． 气体动力学[ M] ． 北京 北京理工 大 学出版社 ． 2 0 0 5 ． [ 3 ]苗瑞生 ， 居贤铭 ， 吴 甲生． 导弹空气 动力学 [ M] ． 北京 国防工 业 出版社 ． 2 0 0 6 ． [ 4]郑健 ， 周长省 ， 鞠玉涛， 等． S p Ma a A l l m a r a s 湍流模 型在弧形翼 超音速流场 数值模拟 中的应用 [ J ] ． 重庆 工学院学 报， 2 0 0 8 ， 2 2 1 2 3 4 3 9 ． [ 5 ]于勇． F L U E N T入 门与进阶教程[ M] ． 北京 北京理 工大学 出 版社 ． 2 0 0 8 ． [ 6 ]赵 育 善 ， 吴斌 ．导 弹 引论 [ M] ．西 安 西 北 工业 大 学 出版 社 ． 2 0 0 9 ． [ 7 ] 徐明友． 火箭外弹道学[ M] ． 北京 兵器工业出版社， 1 9 8 9 ． 收稿 日期 2 0 1 4一O 11 3 上接第 9 8页 滚珠问有一定间隙 ， 随之 丝杠转动 ， 滚珠 开始 运动 。一段 时间之后， 滚珠集中在一起 ， 它们之间相互碰撞 。 滚珠的自 旋速度变化要比滚珠速度变化剧烈， 而且滚珠之间的碰撞 在滚道内要 比在反 向过程 内剧烈 ， 这使得滚珠 自旋速度变 化在滚道内要比在反向过程内剧烈。滚珠在反向回路的 运动也是靠滚珠之间的推挤碰撞完成的。 3 结论 1 运用赫兹理论分析 ， 建立 了滚珠与反 向器 ， 滚珠 与 螺母 ， 滚珠与丝杠， 滚珠与滚珠的接触理论模型， 为建立端 塞式滚珠丝杠副动力学仿真系统提供理论基础。 2 通过 A D A MS宏命令建立端塞式滚珠丝杠副系统 动力学仿 真系统 ， 研究 仿真系 统 ， 可以直观 了解滚 珠在 丝 杠内的运动状态， 为研制高性能滚珠丝杠副提供了重要的 理论支持。利用虚拟样机技术缩短了设计周期， 提高了设 Ma c h in e B u i l d i n g Au t o m a t i o n ，O c t 2 0 1 5 ， 4 4 5 9 9 1 0 1 计品质。 参考文献 [ 1 ] J u i P H， wu J S ， C h i u J Y ． I m p a c t f a i l u r e a n a l y s i s o f r e c i r c u l a t i n g me c h a n i s m i n b al l s c r e w[ J ] ． E n g i n e e r i n g F a i l u r e A n a l y s i s ， 2 0 0 4， 1 15 6 1 5 7 3 ． [ 2 ]吴长宏． 滚珠丝杠副轴向接触 刚度 的研究 [ D] ． 长春 吉林大 学 ． 2 0 0 8 2 1 ． 2 4 ． [ 3 ]谢最伟． 基于 A D AMS的碰撞仿 真分析 [ c] ． 第三届中国 C A E 工程分析技术年会论文集 。 2 0 0 7 3 3 9 3 4 2 ． [ 4 ]隋文涛． 大型矿 用挖掘机履带行走装置动力学仿真研究[ D ] ． 长春 吉林大学 ． 2 0 0 7 3 6 4 2 ． [ 5 ]陈志伟． MS C AD A MS多体动力学仿真基 础与实例分析 [ M] ． 北京 中国水利水电出版社 ， 2 0 1 2 4 3 ． 5 1 ． [ 6 ]张佐营． 高速滚珠丝杠副动力学性能分析及其实验研究[ D ] ． 济南 山东大学 ． 2 0 0 8 3 0 3 1 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 22 5 l 01