不同形状底凹结构对火炮弹丸飞行阻力影响研究*

陆海波,颛孙世周,孙凤文,李义文

(南京炮兵学院,南京 211132)

不同形状底凹结构对火炮弹丸飞行阻力影响研究*

陆海波,颛孙世周,孙凤文,李义文

(南京炮兵学院,南京 211132)

文中以改善火炮底凹弹的飞行阻力为目标,针对火炮弹丸不同底凹结构对减阻效果的影响展开研究。通过基于N-S方程的数值模拟,得到带底凹结构弹丸的绕流流场参数分布以及弹丸的气动阻力,讨论了相同底凹深度、不同形状底凹结构对弹丸流场、减阻效果的影响。研究发现,弹丸底部凹腔产生位于凹腔内的回流流动对底凹结构的减阻效果起决定性作用。研究的三种凹腔形状中,“收缩”形状的底凹结构有最小的气动阻力。

底凹弹;凹腔形状;减阻;数值模拟

0 引言

以减小弹丸气动阻力为手段的火炮增程方法因其不涉及弹丸、发射药装药量的改变而受到普遍重视。在弹丸飞行过程中,火炮弹丸的气动阻力主要由弹丸头部脱体激波产生的波阻、底部流动形成的底阻和弹丸外壁与空气摩擦产生的摩擦阻力三者构成。

减小弹丸飞行时的空气阻力,对改善弹丸的弹道性能(包括增大射程、飞行速度以及缩短飞行时间等)是十分有利的[1]。底凹结构是一种有效的削弱弹丸底阻的方法[2-3]。在超声速条件下,弹丸底阻约占总阻的20%～40%[4],通过加入底凹结构,可以有效的减弱弹丸的底阻,提高弹丸的射程。此外,底凹结构还对火炮的威力和精度的提高有益。据设计实验表明,在相同条件下,底凹弹可增程3%～5%,如果进一步在底部开侧向孔,可增程10%～12%[5]。

弹丸底凹技术已经是一种成熟的弹丸减阻增程技术,但是对于底凹结构本身的分析却并不多见。文中针对火炮弹丸的底凹结构,基于底凹弹绕流流场的数值仿真,分析了底凹结构减阻效果的形成机理,探讨了不同底凹结构对弹丸减阻效果的影响,为底凹结构的优化设计提供理论基础。

1 结构示意

为了讨论不同的底凹结构对弹丸阻力的影响,文中设置了三种外形的底凹结构,图1给出了结构示意,三种弹丸的外形差异仅存在于底凹结构的不同。底凹结构的扩张或者收缩角α为10°

图1 算例结构示意

2 数值方法

2.1 控制方程及其离散

基于火炮弹丸超声速绕流流场的可压轴对称特性,基本控制方程选择了可压缩的轴对称N-S方程[6],如式(1)所示。

(1)

式中:x为流向;r为径向;U为守恒变量;E、F为对流项;Ev、Fv为黏性项;S、H为对应的源项。结合k-ε湍流模型[7]进行方程求解。对流通量采用Van Leer格式处理,黏性扩散项采用2阶中心差分格式,时间项采用LU-SSOR的隐式格式离散分解。

2.2 计算网格与边界条件

数值计算中使用的贴体计算网格如图2所示(算例三为例)。

图2 计算网格(算例三)

数值仿真中忽略弹丸自旋对流场的影响。弹丸壁面无滑移并且使用了绝热壁假设。流动边界条件如表1所示。

表1 流动边界条件

3 结果与分析

3.1 流场参数分布

图3～图5分别给出了各算例超声速绕流流场的流线和马赫数、温度以及压力分布情况。基于超声速流动后方扰动无法向前传递的特性,底凹结构的影响主要体现于弹丸的尾部流场,计算结果也体现了这一特性。

图3为各算例流场流线及马赫数分布。由图可知,超声速来流与弹丸头部相遇,产生绕弹丸顶端(引信部分)的脱体弓形激波,来流经激波减速,但波后的流速依然没有跌入亚声速,绕流沿弹丸头部进入圆柱部,绕流发生一次膨胀,由计算结果亦可见,弹丸圆柱部外存在绕流的加速。绕流至弹丸尾部时,流动急剧扩张又形成了一个高速膨胀区,弹丸绕流流场的最大流速即在此区域产生。在弹丸的底部,由于底凹结构的存在,沿底凹形成了显著的回流区域。

图4以算例三为例给出了底凹弹绕流流场的温度云图。事实上各算例绕流流场的温度分布都体现了激波后升温、膨胀区域降温、回流区域高温的经典弹丸绕流温度分布。

图3 各底凹结构弹丸Ma及流线分布

图4 算例三底凹结构弹丸流场温度分布

图5为各算例流场压力等值线分布,由图可见清晰的激波后高压,弹丸圆柱部、尾部膨胀低压。

图5 各底凹结构弹丸压力分布

图6以算例三为例,给出了凹腔内部的压力分布放大图。由图可见,由于底凹结构的存在,使得底部回流有了“充分发展”的空间,在底凹结构内部弹丸的底面上出现了两个相对高压。一个靠近中轴线,一个分布于凹腔的转角。

需要指出的是,对算例三所采取的收缩式底凹结构而言,由于凹腔侧壁的倾斜方向使得弹丸尾部出现了一个有着较大面积的圆环结构(弹尾底面,图6中直线MN部分),而弹丸的绕流流动在弹丸尾部转折处(图6中M点)会发生急剧膨胀。事实上,仿真结果也显示出,紧贴MN确实存在一个局部的低压区。对于算例一、二采取的底凹结构而言,此处的长度(实际为圆环面积)很小。算例三的弹尾底面结构特性会增大弹丸的飞行阻力。

此外,对算例一、三而言,由于凹腔侧壁的倾斜方向不同(图1),作用于凹腔侧壁上的压力向弹丸轴向分解,产生的效果也不同。算例一,扩张式的凹腔结构,侧壁受力的轴向分量与弹丸气动阻力相反,对弹丸减阻起优化作用;算例三,收缩式的凹腔结构,侧壁受力的轴向分量与弹丸气动阻力相同,会增加弹丸的阻力。

图6 算例三弹丸底部压力分布(放大)

3.2 气动阻力

弹丸气动阻力系数Cd计算式如下:

(3)

式中:Fd为气动阻力;ρ∞为来流密度;u∞为来流速率;Sref为参考面积,取弹丸圆柱部的横截面积。

表2给出了各算例的气动阻力系数,由表可见,算例三有最小的气动阻力,算例一气动阻力最大,即在文中的模拟条件下,对三种底凹结构而言,收缩式的底凹结构能够形成最大的弹丸底部压力,这种结构最有利于弹丸的减阻,而算例一扩张式的底凹结构最劣,甚至不如算例二的圆柱式结构。

表2 各算例阻力系数

表2中气动力的计算结果仿佛与前文中结合图6对各算例结构特性对弹丸阻力影响的趋势相左,实则不然。图7给出了各个算例凹腔底面的压力分布。由图可知,算例一的凹腔外形有最好的底面压力恢复(这主要取决于直接受凹腔形状影响的弹尾回流的强弱),沿凹腔底面算例一的两个局部高压区在3个算例中均有最大值。但亦可见,算例一的曲线长度最短,也即扩张式的凹腔结构有最小的凹腔底面面积。算例二与算例三,凹腔底面面积相同,但算例三的底面压力的表现要优于算例二。

由如上分析可见,当进一步考虑各算例凹腔底面的压力特性之时,算例三的凹腔构型是最有利于弹丸减阻的。亦可知,对于底凹结构减阻而言,凹腔底面上的受力特性在结构各处上,占有主导地位。

图7 各算例弹丸凹腔底面压力分布

4 结论

文中以数值模拟为主要研究手段,对火炮旋成体弹丸采取不同底凹结构的减阻效果展开研究。主要结论如下:

1)合适的底凹结构能够有效的减小火炮弹丸的气动阻力。

2)在文中计算条件下,弹丸底部凹腔采用收缩式的结构,弹丸的飞行阻力最小;扩张式结构的弹丸阻力最大。

3)弹丸底部的回流流动对底凹结构的减阻效果有重要影响。

4)凹腔底面的受力情况在凹腔结构对弹丸减阻的影响中,占有主导地位。

[1] 王中原. 超声速底凹弹侧壁开孔对飞行阻力的影响 [J]. 空气动力学学报, 1997, 15(4): 502-506.

[2] HOWELL J, SIMS-WILLIAMS D, SPROT A, et al. Bluff body drag reduction with ventilated base cavities [J]. SAE International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems, 2012, 5(1): 152-160.

[3] IBRAHIM A, FILIPPONE A. Supersonic aerodynamics of a projectile with slot cavities [J]. Aeronautical Journal, 2010, 113(1150): 15-24.

[4] 浦发, 王中原. 减阻增程的潜力及其可能途径的分析 [J]. 弹道学报, 1986(3): 38-42.

[5] 华恭, 欧林尔. 弹丸作用和设计理论 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1975: 58.

[6] 王承尧, 王正华, 杨晓辉. 计算流体力学及其并行算法 [M]. 长沙: 国防科大出版社, 2000: 4.

[7] 陶文铨. 数值传热学 [M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2001: 152.

Research on Influence of Base Cavity with Different Shape on Aerodynamic Drag of Projectile

LU Haibo,ZHUANSUN Shizhou,SUN Fengwen,LI Yiwen

(Nanjing Artillery Academy, Nanjing 211132, China)

In order to improve aerodynamic drag of projectile with base cavity, drag reducing effect got from projectiles with different base cavity was investigated. Based on Navier-Stokes (N-S) equations, distribution of flow field parameters and aerodynamic drag was obtained by numerical simulation method. The effect of base cavity with same length but different shape on flow field and drag reduction were discussed. The results show that the recirculation region, which is caused by the base cavity and located inside the cavity, plays a pivotal role in reduction of the drag. In the paper, the projectile with a “contraction” shape has the minimum aerodynamic drag.

projectile with base cavity; cavity shape; drag reduction; numerical simulation

2015-09-15

陆海波(1980-),男,新疆昌吉人,讲师,博士,研究方向:高速飞行器气动力、热分析与控制。

TJ012

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