帶柵格翼型彈體多翼擾流的研究

山西中北大學機電工程學院 杜小強 馬貴春 李桂君 李峰

引言

導彈的飛行姿態關系到導彈的高效殺傷，彈體的飛行姿態一部分由制導系統控制，一部分也受到彈體周圍流場與彈體結構外形的影響，柵格翼作為一種新出現的非常規翼型，相對于平板翼而言，在較寬的馬赫數范圍內失速攻角大、鉸鏈力矩小、升力特性好、便于折疊、不會增加飛行器的尺寸等特性被廣泛應用于火箭逃逸器和飛航導彈中，但由于其阻力相對較大，翼型的展開需要一定時間，所以對彈體柵格翼的擾流問題還需進一步研究。

本研究以計算流體力學為基礎，結合非結構網格技術對三維柵格翼與平板翼彈體飛行姿態進行數值模擬，通過分析彈體擾流與彈體氣動力變化，近而比較柵格翼彈體與平板翼彈體的優缺點，其研究結果對柵格翼的應用有一定的參考價值。

1 理論基礎

1.1 計算流體力學

流動控制方程為三維非定常N-S方程，控制方程如下。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：方程中ρ、u、p、E分別為流體的密度、速度矢量、壓力和總能。

1.2 非結構網格

結構網格有良好的性質，易于建立較高精度的計算模型，以提高計算精度和效率，但優于結構化網格適用于相對模型規則的幾何體，導彈外形復雜，彈翼與彈頭處對網格的要求比較嚴格，結構化網格不能滿足要求，而非結構化網格內部網格節點不具有相同的毗鄰單元，可適應復雜的幾何形狀，所以本研究用非結構化網格對彈體模型進行網格劃分。

1.3 Fluent仿真軟件

近年來由于計算機軟件的開發，對于飛行運動的模擬，不單單僅限于耗時、費用高的風洞實驗模擬，通過Fluent軟件數值模擬一樣可以達到相近的結果，而且具有消耗低、快速得到實驗數據的特點。Fluent軟件可以用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍的復雜流動。由于采用多種求解方法和多重網格加速收斂技術，因而Fluent軟件能達到最佳的收斂速度和求解精度。

2 模型設定

導彈為相對較小的空導彈模型，彈長L=90cm，長徑比約20，飛行高度為H=3000m，來流馬赫Ma=1.0，攻角為4。導彈整體網格劃分為非結構網格，方程模型為S-A模型，差分格式為二階迎風格式，彈體結構如圖1所示：

圖1 柵格翼彈體與平板翼彈體模型

3 模擬結果與分析

彈體飛行過程監測了彈體翼面壓強變化以及彈體阻力、升力與力矩變化，其結果如圖2-4所示。圖2-4為柵格翼彈體與平板翼彈體飛行過程中氣動數據對比。

圖2 阻力系數變化曲線

圖3 彈體升力系數變化曲線

圖4 彈體力矩系數變化曲線

由彈體阻力系數變化關系可以得出，導彈飛行中，同體積下，柵格翼彈體受到的空氣阻力明顯大于平板翼彈體，升力系數小于平板翼，這是由柵格翼型的外形結構決定的。當氣體穿過柵格時，氣流在翼面背后形成局部負壓，導致翼面背風面壓強遠小于迎風面，使得整體彈翼阻力增加，由于平板翼迎風面積遠小于柵格翼翼型面，總體壓差不明顯，因此總體彈翼阻力小于柵格翼彈翼。在升力方面，柵格翼翼弦方向面積尺寸遠小于平板翼，提供的升力也有限，在彈體飛行中，彈體的轉動使得彈體本身產生一定的滾動力矩，沿翼弦方向面積較小的柵格翼產生的滾動力矩也同樣小于平板翼。速度與壓力云圖如圖5-8所示:

圖5 平板翼彈體X方向速度分布云圖

圖6 柵格翼彈體X方向速度分布云圖

圖7 平板翼彈體壓力分布云圖

圖8 柵格翼彈體壓力分布云圖

圖6 為方便觀察柵格翼彈翼擾流，選用帶網格的截面速度分布云圖，由圖6和圖8可以看出柵格翼彈體周圍流場空氣阻力使得彈體飛行速度小于平板翼彈體，柵格翼彈體翼面后側的壓強明顯小于迎風面，這也是柵格翼彈體之所以阻力大于平板翼彈體、升力小于平板翼彈體的原因之一。

4 結束語

4.1 Fluent軟件通過運用多種求解和網格加速收斂技術，對飛行器周圍流場進行數值模擬可以得到很快的收斂速度和很高的求解精度。

4.2 彈體飛行中，在彈翼尾部形成的擾流使得導彈飛行時應該給予足夠重視，以達到精確打擊目標的目的。

4.3 柵格翼翼型作為一種新型翼型，其綜合性能優于平板翼，但阻力和升力不如平板翼，所以克服柵格翼阻力是未來對柵格翼大規模使用需要進行研究的一個目標。

4.4 短距離導彈攻擊時，應該注意柵格翼的打開與控制，盡量減少彈翼張開與控制耗費的時間。

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