基于CFD尾翼穩定可控槍彈氣動特性分析*

張成卿,王惠源,國海廣,高樹華

(1　中北大學,太原　030051;2　63936部隊,北京　102200;3　重慶嘉陵特種裝備有限公司,重慶　400032)

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基于CFD尾翼穩定可控槍彈氣動特性分析*

張成卿1,王惠源1,國海廣2,高樹華3

(1中北大學,太原030051;263936部隊,北京102200;3重慶嘉陵特種裝備有限公司,重慶400032)

摘要:為了優化可控槍彈結構,對可控槍彈整體結構進行簡化處理,用三維軟件SolidWorks布爾運算建立數值仿真模型,ICEM CFD生成非結構網格,通過Fluent對可控槍彈外流場數值仿真,得出不同馬赫數不同攻角下阻力系數、升力系數、俯仰力矩系數以及壓力中心系數變化規律。結果表明,可控槍彈氣動特性處于靜態穩定臨界點,與試驗結果相符,需要通過改變彈丸質心或者外形結構以優化結構。

關鍵詞:可控槍彈;空氣動力分析;外流場;靜態穩定;Fluent

0引言

精確制導技術在中大口徑炮彈及導彈已成熟應用,然而在槍彈的應用依然處于研究和試驗階段[1]。因此,提出一種尾翼穩定可控槍彈結構。

彈丸外形設計的優劣直接影響彈丸飛行穩定性及作戰效能[2]。

彈丸穩定一般采用旋轉穩定和尾翼穩定,判斷彈丸穩定的一般方法是靜穩定儲備量的大小[3]。傳統彈丸外形設計方法,對不同設計方案在風洞試驗或者靶場試驗分析前提下,得出最優結構方案[4],該方法周期長、效率低等缺點,使其已經不能適應現代武器的設計要求。數值仿真在一定程度上可以代替風洞試驗,具有極強流場分析能力,可用于氣動力設計及氣動特性參數計算[5]。

文中采用Fluent對可控彈丸進行數值仿真,并分析仿真結果,能夠體現彈丸流場特性,并且與試驗結果吻合,為方案優化設計提供理論依據。

1尾翼穩定槍彈氣動力學特性

按照空氣學理論,對于尾翼穩定不旋轉彈丸氣動力學分析如圖1所示[6]。

圖1　總氣動力示意圖

OXYZ為彈丸運動坐標系,C表示彈丸質心,D表示彈丸壓力中心,壓力中心D到質心的距離為ld。

分析彈丸氣動力學,可得:

(1)

(2)

(3)

式中:ρ為空氣密度;ν為彈丸飛行速度;l為全彈長;Cx(Ma,δ)為阻力系數;Cy(Ma,δ)為升力系數;mz(Ma,δ)為俯仰力矩系數。

氣動力系數Cx(Ma,δ)、Cy(Ma,δ)與彈丸的外形結構、飛行馬赫數以及攻角有關。

(4)

(5)

Mz=Ryldcosδ+Rxldδ≈Ryld+Rxldδ

(6)

(7)

比值叫做靜穩定度(壓力中心系數),稱為“穩定儲備量”,靜態穩定度主要反映彈丸的靜態穩定性;多數情況下,即可得下式:

(8)

2仿真分析

2.1模型建立及網格生成

彈丸三維模型如圖2所示,彈長138 mm,直徑為12.7 mm,主要包括上彈體、下彈體、尾翼以及舵機等四部分。

圖2　彈丸三維結構

為了在Fluent中進行仿真,對可控槍彈三維結構進行簡化處理,在Solidworks中將槍彈建成彈丸模型(如圖3所示),并且求出槍彈的質心;槍彈進行外流場分析,近似其為圓柱細長體,故在Solidworks中將計算域建成長圓柱體,長度為槍彈全長的6倍,直徑為槍彈直徑30倍,采用布爾運算生成計算區域;然后導入到ICEM CFD中進行網格劃分,并將槍彈針體結構進行網格細化,生成非結構網格,彈丸CFD有限元仿真模型如圖4所示。

圖3　彈丸模型

圖4　彈丸CFD有限元仿真模型

2.2初始條件和邊界條件

取無限遠處來流作為來流的初始條件,外邊界取壓力遠場條件,用給定的自由流馬赫數和湍流無限遠處自由流的條件。

假設來流為理想條件,來流的攻角δ為0°～8°,來流馬赫數為0.3～3。

2.3氣動力學系數求解

Fluent求解后,可以得到流場內每個網格點上的流動參數:壓力P,密度ρ等。將可控彈丸表面氣動參數進行積分,得到總氣動力F,然后分別向坐標系的X、Y、Z軸分解,得到3個方向上的載荷分量,求出氣動力學各個系數。

2.4計算結果

氣體的工作區域為400 mm×800 mm,ICEM CFD中生成的網格數為584 361個;氣動力系數仿真結果如表1所示,1.3Ma時0°～8°攻角彈丸表面氣流速度云圖如圖5所示;8°攻角時0.3～3Ma彈丸表面氣流速度云圖如圖6所示。

2.4.1可控槍彈阻力特性分析

對仿真數據擬合,得出不同馬赫數下阻力系數隨攻角變化曲線(如圖7所示)和不同攻角下阻力系數隨馬赫數變化曲線(如圖8所示)。

由圖8可以看出，馬赫數大概在1.3左右時,阻力系數達到最大值;在阻力系數達到最大值之前,隨著馬赫數的增大而增大; 在阻力系數達到最大值之后,隨著馬赫數的增大而減小;在同一馬赫數情況下,阻力系數隨攻角的增大而增大;可控槍彈阻力系數曲線符合尾翼穩定彈丸空氣動力特性。

表1　可控彈丸氣動力系數仿真結果

圖5　1.3 Ma時不同攻角彈丸表面氣流速度云圖

2.4.2可控槍彈靜態穩定性分析

Mz計算是以槍彈質心為力矩參考點,參考長度為槍彈全長0.15 m,參考橫截面積為槍彈最大面積0.000 126 72 m2,根據式(8)即可計算出穩定儲備量,如表2所示。

由表2可知,在1Ma時,可控彈丸穩定儲備量最大,范圍在10%～19%;在亞音速和超音速情況下,穩定儲備量很低,范圍在1%～50%;因此可知,在這種情況下,彈丸處于臨界穩定處。高速攝影照片如圖9和圖10所示,圖9彈丸出膛口瞬間彈丸彈頭前部明顯上抬;圖10彈丸出膛口瞬間彈丸彈頭基本處于水平飛行;因此可知彈丸處于臨界穩定性;即仿真結果與試驗結果吻合。

表2　穩定儲備量表

圖6　攻角為8°時不同馬赫數彈丸表面氣流速度云圖

3結論

利用Fluent對大口徑尾翼穩定可控彈丸氣動力學仿真計算,可得氣動力學參數,用所得結果分析彈丸穩定性,得出彈丸穩定性處于臨界條件,與靶場試驗結果相符。因此,彈丸整體結構需要進一步結構優化,改進彈形結構或者質心。

圖7　攻角-阻力系數曲線

圖8　馬赫數-阻力系數曲線

圖9　彈丸膛口飛行姿態

圖10　彈丸膛口飛行姿態

參考文獻:

[1]楊紹卿. 靈巧彈藥工程 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2010: 3-6.

[2]韓子鵬. 彈箭外彈道學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2008: 25-41.

[3]孫宜亮. 子彈飛行穩定性 [D]. 南京: 南京理工大學, 2009.

[4]王保國, 劉淑艷, 黃偉光, 等. 氣體動力學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社2008, 5: 50-56.

[5]苗瑞生, 居賢銘, 吳甲生, 等. 導彈空氣動力學 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2008, 6: 85-90.

[6]徐明友. 火箭外彈道學 [M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2004: 64-68.

[8]王良明. 尾翼式柔性彈箭飛行穩定性研究 [J]. 彈道學報, 1998, 10(4): 67-73.

[9]劉萬剛, 高宏超, 葉正寅, 等. 細長彈箭自由飛行狀態下的靜氣動彈性分析 [J]. 航空制造技術, 2011(19): 107-108.

[10]TALAYTheodoreA.IntroductionAerodynamicsofFlightNASA.SP-367 [R].NationalAeronauticsandSpaceAdministrtion,Washington,D.C. 1975.

*收稿日期:2015-03-30

作者簡介:張成卿(1988-),男,山西運城人,博士研究生,研究方向:高射速發射理論與技術研究。

中圖分類號:TJ410.3

文獻標志碼:A

Aerodynamic Analysis for Fin-Stabilized Smart Bullet Based on CFD

ZHANG Chengqing1,WANG Huiyuan1,GUO Haiguang2,GAO Shuhua3

(1North University of China, Taiyuan 030051, China; 2No.63936 Unit, Beijing 102200, China;3Chongqing Jialing Special Equipment Co. Ltd, Chongqing 400032, China)

Abstract:To optimize bullet design, Solidworks was used to simplify overall structure of bullet and establish numerical simulation with Boolean operation, ICEM CFD generated mesh of this model, and simulation was performed by Fluent for outer flow field to obtain drag coefficient, life coefficient, pitching moment coefficient and center of pressure coefficient at different angles and different Mach number. The result shows that the aerodynamic characteristics of a controlled bullet are in critical point for statically stable, which is consistent with the test results, so it is need to optimize the structure by changing the shape or structure of the projectile centroid.

Keywords:smart bullet; aerodynamic analysis; outer flow field; static stability; Fluent