基于CFD技术的靶弹气动特性研究

湖北三江航天红峰控制有限公司 杜继超 佘 君 袁天亮 田玉琴 邱耀明

基于CFD技术的靶弹气动特性研究

湖北三江航天红峰控制有限公司 杜继超 佘 君 袁天亮 田玉琴 邱耀明

气动布局设计和气动参数计算是系统总体设计的重要环节。如果仅依靠风洞试验来确定系统的气动系数既浪费时间也使系统的研制成本过高。本文引入了用计算流体力学（CFD）对靶弹气动性能进行研究的方法， 利用某亚声速靶弹为载体，详细介绍了CFD方法的原理、使用规则、注意事项，通过设计、划分模型网格以及选择参数计算方法最终得到了靶弹在三种工况下的空气动力学参数，并与实际吹风数据做比较，结果证明了用CFD方法仿真吹风实验的可行性。

CFD；靶弹；气动特性

1.CFD技术的原理

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。［1］其基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD方法的本质就是求解控制方程。流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

2.靶弹气动性能研究

如图1所示是某亚声速靶弹结构外形，该靶弹弹身长1430mm，弹径为135mm，头部为圆拱弧形，坐标系三个方向分别规定如下：X轴：沿弹体轴，指向头部为正；Y轴：在弹体纵向对称面内垂直于X轴；Z轴：与X、Y轴满足右手螺旋定则。原点位于距离头部736mm处。弹身上分布三组十字翼。流体介质为空气，无穷远处来流马赫数0.35。要求研究空气绕流该靶弹的流动情况，分析该靶弹在攻角分别为0°、3°、6°时的气动性能。

图1　某亚声速靶弹外形

在导弹飞行力学中，把空气动力沿速度坐标系分解为三个分量，分别称之为阻力X、升力Y、和侧向力Z。作用在导弹上的空气动力与来流的动压q（，其中为导弹所处高度的空气密度，V是速度）以及导弹的特征面积S成正比，可表示为：

式（1.1）中，cx、cy、cz为无量纲的比例系数，分别称为阻力系数、升力系数和侧向力系数，S为特征面积。

在导弹气动外形及其几何参数、飞行速度和高度给定的情况下，研究导弹在飞行中所受的空气动力，可简化为研究这些空气动力系数。

2.1前处理

将初步处理的模型读入Gambit软件，利用Gambit建立一个包围弹体的圆柱形计算域，轴向长度约为弹身的5倍，直径约为翼展的5倍。在其内部划分出一个轴向长度约为弹身2倍，直径约为翼展1.5倍圆柱形区域。

该靶弹外形比较复杂。在此情况下，非结构化网格是一个很好的选择，因为它生成相对简单，而且采用二阶迎风格式的情况下也具有较高的精度，还具有比较好的可调节和可控制性。对计算域内外层分别进行网格划分，划分好的网格如图2所示：

图2　网格划分

2.2求解

FLUENT提供了分离式和耦合式两种求解器，一般来说，两种求解器都适用于从不可压到高速可压的很大范围的流动，但是当计算高速可压流动时，耦合式求解器比分离式求解器更有优势。考虑到本例中马赫数较低，故采用分离式求解器即可。

在设置求解器的过程中，决定采取什么样的计算模型是很关键的。Spalart-Allmaras模型是专门用于求解航空领域的避免限制流动，是一个相对简单的单方程模型，只求解一个有关涡粘性的输运方程，计算量相对较小。该湍流模型比较适合于具有避免限制的流动问题，对有逆压梯度的边界层问题能够给出很好的计算结果，常常用在空气动力学问题当中，例如飞行器、翼型等绕流流场分析。

在定义流体的物理属性时，工作介质是空气。考虑到可压缩性和粘性随温度的变化，将材料选为理想气体（满足气体状态方程），并选用萨兰德定律计算粘性。由于选择了理想气体，萨兰德定律计算粘性，需要求解能量方程，故此时能量方程被自动选中。对于马赫数小于5的流动，定压比热cp和热传导率可以设置成常数。

在设定好无知的物理属性后，对计算域的边界条件进行具体数值的设置。内容包括：计算域内物质的指定，进出口边界条件和壁面边界条件数值。将压力远场边界条件设定为来流压力一个标准大气压，马赫数0.35，攻角为0°。

重复上述过程，用同样的方法，完成攻角分别为3°、6°时的气动参数计算。

2.3后处理

在后处理的过程中将研究靶弹气动特性相关的项目从计算结果中提取出来，图3直观地示意了压力在靶弹表面的分布情况，弹头和三组翼的迎风面是受力最大的位置。

图3　靶弹表面压力分布云图

3.验证试验

在目前阶段，风洞试验仍是研究流体力学问题的重要方法，其测量结果较为真实可信。本研究中的亚声速靶弹也经过风洞试验，得到了各项空气动力系数，见表1。CFD方法直接得到的是压力、力矩、速度等值，为了进一步得到空气动力系数，需要输入面积、长度等参考值，FLUENT后处理功能会自动将这些参数带入类似于（1.6）中的公式中，经过简单运算，将结果转化为我们关心的空气动力系数。对比试验测量数据与CFD方法计算得到的结果，可见两者的轴向力系数、法向力系数、横向力系数是比较接近的。

表1　试验数据与CFD计算结果对比

表1中的符号说明：CA：轴向力系数；CN：法向力系数；Czz：横向力系数；Cll：滚动力矩系数；Clm：偏航力矩系数；Cm： 俯仰力矩系数；

4.结论

网格划分和气动计算的结果表明轴向力系数、法向力系数、侧向力参数均与实际吹风数据的差别较小，验证了使用该方法分析其气动布局与参数的合理性以及可能性，为后续型号布局改制提供了有效的理论基础。

［1］王福军.计算流体动力学分析.清华大学出版社，2004.

［2］李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战.人民邮电出版社，2011.

［3］钱杏芳，林瑞雄，赵亚男.导弹飞行力学.北京理工大学出版社，2012.

图2　调修区域示意图

4　结论

1）结合单轨车结构特点选择适合的组焊工艺，并将其结构分为构架体、稳定轮两大模块完成组焊，以达到构架组焊过程中方便可行同时可以现对尺寸调修的良好控制。

2）通过选择合适的调修区域、加热时间、加热温度等条件，可以实现利用火焰调修工艺有效控制单轨车这种结构复杂、薄板焊接的构架尺寸。

王子栋（1984—），男，吉林长春人，工学学士，工程师，2007年毕业于长春工业大学，现供职于中车长春轨道客车股份有限公司，研究方向：焊接。