基于Fluent的MAF風洞標準實驗模型研究

王新穎

（沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110168）

彈丸空氣動力實驗的方法有兩種：

一是實彈實驗方法，就是用實彈在真實條件下進行，如靶場實彈射擊。這種實驗結果較可靠，但需要花費大量的人力、物力和時間，而且在某些條件下，甚至不能采用這種方法。所以實彈實驗，往往是在一系列的理論計算和用其他實驗方法之后，即在研究的最后階段如產品定型、編制射表時采用。

二是模型試驗方法，就是用模型在與實驗流動完全相似或部分相似的模擬流動中進行，模型的實驗結果，能換算到實際情況上去，如風洞吹風實驗、靶道設計實驗等。這是一種比較經濟有效的方法。

MAF風洞是一種超小型、暫沖式、超音速空氣動力實驗設備，該設備以超小型和高超音速為最大特色，其實驗段幾何尺寸較小，工作室是一個內部尺寸360 mm×226 mm×200 mm的直角箱，所需的試驗模型相對較小，需采用模型實驗方法進行空氣動力試驗。

故筆者基于相似原理，設計適合于此風洞的彈丸模型，應用Fluent軟件進行仿真模擬，得出模擬數據與彈丸理論計算數據進行對比，為制作實驗模型累積標準實驗數據，為開設風洞測試基礎技術研究實驗提供理論參考。

1 相似理論的應用

相似流動是指兩流動中，對應的物理量的大小成比例，對應向量在對應坐標中的方位相同，則此兩流動成為相似流動。相似流動分為幾何相似、運動相似、動力相似、熱力相似這4類。

在彈丸空氣動力試驗中，要嚴格滿足全部相似參數，將是非常困難的。因為模型流場和原型流場的氣流參數組成的相似參數，只能滿足部分相等。例如：為了滿足Ma數相等，就很難滿足Re數相等，除非采用特殊的實驗手段。

實際上，上述相似參數并不是同等重要的，即影響流動的因素并非同時都起顯著作用。在不同的繞流情況下，往往只有一種或兩種相似判據起決定的作用，余者都可以忽略不計。因此在空氣動力學試驗中，只能做到部分相似，即保持對流場特性起決定作用的因素相似。

MAF風洞要求按馬赫數和雷諾數設計模型，彈丸高速飛行或氣流高速流動時，壓縮性和粘性同時起主要作用，此時必須同時保證Re數和Ma數相等。但馬赫數相似和雷諾數相似一般不能同時完全滿足。這是因為

式中，

ν為速度；

l為尺度；

帶“′”的為模型的值；

不帶“′”的為實物的值。

通常在風洞中，若 Ma=Ma'，c=c'，則 ν= ν'。

由于 l≠ l'，所以 Re≠ Re'，就是說Ma和 Re不能同時相似。

所幸的是，研究表明，Re數大于臨界值以后，Re數變化的影響，基本可以不用考慮，在條件許可的情況下，盡可能滿足Ma數相似的要求即可。

所以，從彈丸空氣動力學角度出發得出的結論是：在保證一定Re數的前提下，彈丸空氣動力學實驗中應保證長徑比和Ma數相等。

2 實驗相似模型仿真計算

基于相似分析，某口徑彈丸將彈丸尺寸縮小為原尺寸的1/5進行模型仿真研究分析。

保持長徑比原彈丸一致，彈丸模型長度129 mm，直徑21.3 mm，頭部圓弧半徑292 mm。經計算尺寸縮小后，彈丸模型的Re數依然大于臨界值，Re數變化的影響，基本可以不用考慮，故要求Ma數相等，即馬赫數取為3。邊界為360 mm×200 mm，入口邊界條件選著為速度入口（Velocity inlet），出口邊界條件設置為壓力出口（pressure outlet），彈丸與支架固定不動，采用無滑移的壁面條件（wall），由于彈丸為軸對稱的，設置中間的線為對稱軸。仿真結果以阻力曲線圖為例，如圖1、圖2所示。

圖1 仿真云圖

圖2 阻力曲線圖

將仿真結果與MAF風洞實驗相比較，結果如表1所列。

表1 實驗數據與仿真數據對比表

3 結束語

本文基于相似原理，設計適合于小型超音速風洞的實驗彈丸模型，應用Fluent軟件進行仿真模擬，得出模擬數據與風洞實驗數據進行對比，得到模擬數據與實驗數據的誤差在15%以內，故在模型設計初期應用，首先應用Fluent軟件進行仿真模擬是可行的，為實驗模型的設計以及制作提供理論參考。

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