基于Fluent的弹头弧形对某小型榴弹气动特性影响研究

山西中北大学机电工程学院　龙虎　任琳

基于Fluent的弹头弧形对某小型榴弹气动特性影响研究

山西中北大学机电工程学院龙虎任琳

弹头的形状对其空气动力特性、有效载荷和威力有较大的影响。本文设计了一款弹头为圆弧形的小型榴弹，运用Fluent软件对自动榴弹发射器的榴弹进行数值模拟与对比分析，研究不同弧形的弹头在同一攻角、不同飞行马赫数下的气动规律，为弹丸的优化设计提供参考。

榴弹；数值模拟；气动特性

自动榴弹发射器射速高、火力密度大，可直瞄射击也可曲射用以攻击障碍物后的目标。配合杀伤弹和穿甲弹等多种榴弹，可用于面杀伤敌集群有生目标，也可用于有限的反装甲作战。提高火力性能、机动性能以及扩大使用范围等方面是自动榴弹发射器技术改进的主要方向，同时增加新弹种和新型引信可以明显提高榴弹发射器的火力性能，而引信参数又关系到小型榴弹弹头的外形参数，影响其气动特性，故对于弹丸的整体优化设计分析就显得比较重要。现有的某自动榴弹发射器多采用半球形弹头，本文拟设计一款圆弧形弹头，研究弹头弧形对某小型榴弹气动特性的影响规律。

1弹丸设计及其几何模型

设计圆弧形弹头长d为35mm，采用半径R为40.625mm弧面，弹经D为40mm，弹长L为110mm（图1），两弹弹经与弹长一致（图2）。

图1　圆弧形榴弹结构

图2　半球形榴弹结构

2 fluent数值仿真

2.1计算域的确立及网格的划分

本研究设定榴弹外部流场为三维定常可压缩流动，因为使用Fluent软件分析飞行器在不同的攻角、马赫数等工况下的气动力规律时，外部的扰流流场一般假定是定常、可压缩的。由于榴弹扰流流场的计算要求在其附近布置足够密的网格，而计算域相对榴弹必须得足够大，以满足一定的计算精度，故本文将计算域分为两层圆筒型流场（图3），内层网格划分较密，外层网格划分较稀疏，采用非机构化的三角形或四面体网格进行网格划分（图4）。

图3　计算域示意图

图4　网格划分示意图

2.2边界条件的设定及计算模型的选择

设定计算域最外层圆筒端面及圆筒表面为Pressure_Far_Field压力远场边界条件，由于一般设置参考压力为零，故在边界条件的参数设置中来流压力设置为绝对压力即标准大气压。基本求解器选择Density Based密度基求解器，由于采用的是三角形或四面体的非结构化网格，选择基于节点的Green-Gauss Node Based高斯克林函数方法计算梯度，以获得更加准确的计算结果。湍流模型选择Spalart-Allmaras模型，该模型比较适合于空气动力学问题的研究当中，由于只求解一个关于涡粘性的方程，其计算量也显得相对较小。

2.3模拟计算过程

求解控制参数设置中差分格式采用Second Order Upwind二阶迎风格式，其精度比一阶迎风格式高。完成求解控制参数的设置后即开始进行数值仿真计算，在Fluent计算过程中，根据模拟要求设置榴弹的攻角与马赫数，可以实时监控阻力系数Cd、升力系数Cl和俯仰力矩系数Cm等气动特性参数随迭代次数的变化情况，当曲线稳定与收敛时即为其在某一工况下系数的最终值。如图5～图7所示，攻角为4°，马赫数为0.6时的气动特性曲线。

图5　阻力系数随迭代次数变化曲线

图6　升力系数随迭代次数变化曲线

图7　俯仰力矩系数随迭代次数变化曲线

3模拟结果分析

本文模拟仿真了两种榴弹在攻角为4°，阻力系数、升力系数与俯仰力矩系数在不同马赫数（0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.85 0.9 0.95）时的变化规律，如图8、9、10所示。从仿真结果可以看出：两种榴弹阻力系数随着马赫数的增加而变大，在接近音速时达到最大。在同一马赫数下，半球形榴弹明显比圆弧形榴弹阻力系数大；两种榴弹升力系数差异较大，圆弧形榴弹升力系数随着马赫的增加而变大，在马赫数为0.9时达到最大，而后开始减小。半球形榴弹随马赫数增加而变大，到0.5马赫数时停止变大并开始减小，到0.95马赫数附近时达到最大。马赫数小于0.42附近且大于0.55马赫数时圆弧形榴弹升力系数较大，在0.42附近与0.55马赫数之间半球形榴弹升力系数较大；两弹在0.5马赫数时俯仰力矩系数达到最大，小于0.5马赫数时，半球形榴弹俯仰力矩系数较大，大于0.5且小于0.82马赫数时，圆弧形榴弹俯仰力矩系数较大，大于0.82马赫数时半球型力矩系数较大。

图8　阻力系数随马赫数变化曲线

图9　升力系数随马赫数变化曲线

图10　俯仰力矩系数随马赫数变化曲线

4结论

本文以现有采用半球形弹头榴弹为参考，设计了采用圆弧形弹头的榴弹。通过流体仿真软件Fluent对两种榴弹进行数值模拟分析，得出了两者阻力系数、升力系数与俯仰力矩系数随马赫数的变化曲线。仿真结果对比分析得出圆弧形榴弹阻力系数较小，升力系数较大，其升阻比要大于半球形榴弹升阻比，具有较好的气动特性，同时本研究也为弹头参数的优化设计提供了一种参考。

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龙虎，1988出生，四川资阳人，在读硕士，研究方向：发射系统动力学与控制技术。