机械工程实验

，陈少松，王学德**作者简介：邓帆（生于1982年），男，博士生，主要研究方向为弹箭空气动力学通信联系人：陈少松（生于1958年），男，研究员，主要研究方向：飞行器空气动力学.E-mail:[e-mail]（南京理工大学能源与动力工程学院，南京210094）摘要：带阻力环的一维弹道修正弹可大幅度提高炮弹密集度，但由于阻力环的存在改变了弹5丸的气动布局，不仅仅影响弹丸的阻力系数，也会影响其他气动参数。本文采用旋转参考坐标系的方式模拟物体自身的滚转运动，通过求解定常N-S方程的方法分析了带不同结构阻力环修正弹的气动力特性，尤其是滚转阻尼特性和马格努斯力矩。结果表明：和花瓣形阻力环相比，圆环形阻力环在超音速阶段能有效减小滚转阻尼，马格努斯力矩方面带花瓣形阻力环的修正弹表现最优。文中所研究的阻力环结构可为一维弹道修正弹的设计提供参考。10关键词：弹道修正弹；阻力环；滚转阻尼；马格努斯力矩中图分类号：TJ410.37AerodynamicCharacteristicsofOneDimensionalTrajectoryCorrectionProjectileUsingDragBrake15DENGFan,CHENShaosong,WANGXuede(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NUST,Nanjing210094)Abstract:Dragbrakechangestheaerodynamicconfigurationoftheprojectile,itinfluenceslargelythedragcoefficientandotheraerodynamiccoefficients.Toimprovetheconcentrationofprojectile,theonedimensionaltrajectorycorrectionalprojectile(TCP)withdragbrakeisresearched.Thesteady-state20computationalfluiddynamic(CFD)calculationsisusedtosimulatetheprojectilerollbyrotatingthereferenceframearoundthex-axisatthespecifiedspinrate,aerodynamicperformancefordifferentstructuresofdragbrakesisstudiedbysimulations,expecialrolldampingandMagnusmomentofthem.Theresultsindicatedthatannulardragbrakecoulddecreaserolldampingsignificantlycomparingwithpetal-shapeddragbrakeatsupersonicspeeds,themodelwithpetal-shapeddragbrakeperformedwell25intheMagnusmoment.Researchaboutthestructureofdragbrakeisusefulforthedesignofonedimensionaltrajectorycorrectionalprojectile.Keywords:trajectorycorrectionalprojectile;dragbrake;rolldamping；Magnusmoment0引言30弹道修正技术是指在弹丸出炮口后，一段弹道范围内由引信对弹道的纵向距离进行修正，引信模块内装有微型GPS接收机和气动阻尼机构，将射击目标点的坐标事先存入引信内，发射瞄准点稍远于实际目标，发射后，GPS接收机不断对弹丸定位，检测其实际飞行弹道，预报落点，并与事先装入引信的目标位置比对，选择最佳时间点，控制装在引信上的气动阻尼机构张开，通过改变弹丸降弧段的弹道使弹丸实际落点尽可能接近实际目标点，从35而减少炮弹落点散布，提高命中精度[1]。其中，以改变飞行速度大小的修正称为纵向修正，而用于改变弹丸飞行方向的修正称为横向修正。由于普通炮射弹丸在射程（纵向）上的散布远大于在方位（横向）上的散布，因而提高弹丸在射程上的射击精度成为提高总体射击精度的主要方法。一维弹道修正弹的一个重要设计原则就是尽可能缩小阻力环机构体积，同时使阻力环打40开后的增阻效果尽可能强[2]。因此，对于这类修正弹的气动力计算方法、阻力环外形的气动布局特性等问题的研究，是设计出性能良好的阻力修正机构的基础，其中在旋转修正弹的气，滚转阻尼力矩对修正弹的角速度衰减有影响，而马格努斯力矩影响修正弹的横向弹着点，他们对修正弹的动稳定性都非常重要。对滚转阻尼力矩和马格努斯力矩的研究可以采用风洞实验的方法,但实验费用昂贵、实验设备复杂，在初期的选型阶段不易大量采用。45工程估算的精度难以保证，所以采用合适的数值计算不失为一种可行的方法。本文采用求解定常N-S方程的数值方法，针对某榴弹设计了4种不同实验模型，通过与其中的无阻力环模型的气动特性进行分析对比，研究了不同结构阻力环对气动力尤其是动导数的影响特性，并提出了对阻力环设计的建议。1数值研究方法501.1控制方程采用三维积分形式的雷诺平均N-S方程，1RessWdFndsFndstνΩ∂Ω+⋅=⋅∂∫∫∫∫∫∫∫Ω为三维控制体，s为对应边界，W为守恒变量，F为无粘通量，Fν是粘性通量，n是单位外法向矢量，Re为计算雷诺数。551.2空间和时间离散采用有限体积法离散主控方程，无粘通量项采用迎风型VanLeer矢通量分裂方法和AUSM格式,粘性通量项采用中心差分格式离散；时间离散采用显式四步Runge-Kutta法。1.3湍流模型湍流模型采用Menter的SST(ShearStressTransport)模型[3]，SST模型将k–ω和k-ε模型60混合使用，在近壁面采用标准k–ω模型，逐渐转变到边界层外面采用高雷诺数k-ε模型，避免了流场依赖于远场边界的处理；其中包含转捩和剪切流选项，适合于逆压梯度存在情况下的边界层流动，分离和转捩。1.4算法验证为验证算法的有效性，对美国M910式25mm曳光脱壳训练弹（TPDS-T）进行数值模65拟，和公开的风洞数据比较，马赫数范围为0.5~2.5Ma=，攻角α=3°。对比其阻力系数CD和滚转阻尼导数Clp随马赫数变化的规律[4]。图1为M910的简化模型，长度单位均为毫米，图2和图3为数值模拟数据（CFD）和风洞实验数据（WindTunnelTest）以及JamesDeSpirito的非定常计算结果(JamesD’sCFD)的对比。700.000.100.200.300.400.500.600.50.91.31.72.12.5MaCDWindTunnelTestJamesD'sCFD(DES-turb)CFD(k-e-turb)-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.010.61.01.41.82.22.6MaClpWindTunnelTestJamesD'sCFD(DES-turb)CFD(k-e-turb)图1TPDS-T简化模型图2CD随Ma的变化曲线图3Clp随Ma的变化曲线Fig.1DrawingofmodelTPDS-TFig.2CDvs.MachnumberFig.3Clpvs.Machnumber，滚转阻尼导数方面亚跨音速阶段两种数值计算方法和风洞实验数据都存在差距，这类75误差和风洞实验中数据的测量误差及模型加工误差有一定关系，超音速阶段后数据的吻合度较高，并且两种计算方法得到的数据几乎相同，计算误差都在一般工程计算所要求的15%以内，证明了此定常方法对求解滚转体动导数的有效性。2对不同阻力环模型的比较研究2.1模型的网格生成80为研究不同结构阻力环对修正弹气动特性的影响，针对某榴弹设计了4种不同实验模型，不带阻力环的模型编号为HES,带花瓣形阻力环的模型编号为Petal-DBHES,阻尼环呈四瓣,内圆半径r1=5mm,外圆半径与内圆相同，其圆心偏离原点3mm，带圆环形阻力环的模型编号为Annular-DBHES,外圆半径r2=8mm,圆环形阻力环中沿周向旋转开一口字形方槽的模型编号为S-Annular-DBHES,方槽顶部距外圆1mm,口深1mm;所有模型弹身均相85同，阻力环迎风面距离弹头均为27.2mm,弹身直径D=16.8mm,弹长L=100mm。670.7~2.5,4,101325,298,0.088,Re=2.9310~1.1102DMappaTkVωαω°======××，参考面积为Sr=222mm2,参考长度为Lr=16.8mm。边界条件为远场无反射边界，入流边界采用来流值，物面边界为无滑移边界条件，通过旋转参考坐标系的方式来模拟物体自身的滚转[5][6]。90(a)模型Petal-DBHES(b)模型Annular-DBHES(c)模型S-Annular-DBHES图4不同模型阻力环处局部网格Fig.4MeshesofmodelswithdifferentdragbrakeICEMCFD负责所有模型的网格生成，采用映射技术的六面体网格划分功能，通过雕塑方法在拓扑空间进行网格划分，自动映射到物理空间，在修正弹壁面附近采用O-形网格生95成技术来创建高质量的六面体边界层单元，对每个模型都生成两套网格，用于亚跨音速计算(Ma≤1.4)的网格周向远场LRB=70D,轴向远场LAB=70D，壁面第一层网格高度HBL=1.36×10-5D，用于超音速计算(Ma＞1.4)的网格周向远场LRB=8D,轴向远场LAB=4D，壁面第一层网格高度HBL=1.1×10-5D，网格数量在110万～170万之间，生成的网格图如图4所示，采用机群并行运算系统进行计算，并行环境为30个处理节点的集群服务器，其中每100个计算节点为4核AMDOpteron83742.2G处理器和大小为16G的内存。2.2不同阻力环对阻力和法向力特性的影响4种模型的阻力系数随马赫数的变化曲线如图5所示，可见模型HES阻力最小，加装阻力环的模型中，亚跨音速阶段2种圆环形阻力环增阻效果明显，其中模型Annular-DBHES在Ma=1时增阻67%，带花瓣形阻力环模型Petal-DBHES增阻43%；超音速后3种带阻力105环模型的阻力系数相差不大，其中带开槽圆环形阻力环模型S-Annular-DBHES的阻力系数最大，增阻率在95%～120%之间。，可见在超音速阶段4种模型的法向力系数随马赫数的变化规律一致，均为先增加再减小；2种带圆环形阻力环模型的法向力系数和模型HES相比较变化不大，而加装花瓣形阻力环模型Petal-DBHES的法向力系数有一定增加，增