低速旋转弹箭气动特性计算与研究

摘要

旋转弹箭具有减小制造过程中的误差影响、简化控制系统和提高飞行稳定性等诸多优点，在武器系统领域的火炮、火箭以及近程战术导弹上应用十分广泛。但是相比于非旋转弹箭，弹箭旋转也使得其空气动力学特性变得更为复杂，并且带来新的问题，如马格努斯效应、锥形运动、共振耦合等，而产生这些问题的根源在于气动特性参数的变化。基于此背景下，本文对旋转弹箭的气动特性规律进行了系统研究，为旋转弹箭气动设计打下坚实的基础。 首先本文详细地介绍了国内外关于旋转弹箭气动特性的研究现状和研究方法，尤其是滑移网格技术。通过对ANF弹箭和F4弹箭的气动特性规律进行了数值仿真，将数值模拟结果与风洞实验结果进行对比，用以验证本文研究方法的正确性。 其次，为了研究低速旋转对平直尾翼弹箭气动特性的影响，首先建立了某翼身组合弹箭的数值计算模型，生成了该弹箭模型的结构化计算网格，采用滑移网格技术实现弹箭的旋转，利用流体力学(CFD)软件对该弹箭在不同工况下的气动特性进行了数值仿真，并着重分析了转速（0.5转/秒、1转/秒、2转/秒）、马赫数(0.9、1.1、1.4、1.6、2.0)、攻角(2°、4°)、滚转角(0°～360°)对其气动特性参数的影响。计算结果表明:弹箭纵向气动特性参数基本不随转速的增大而变化，因此可以采用定常理论求解旋转弹箭的纵向气动特性参数;平均滚转力矩系数随转速的增大呈线性变化趋势;马格努斯效应随着转速的增大而显著增强，并从流场结构对马格努斯效应进行了阐述;各气动力及力矩系数均随滚转角呈周期性变化规律。 接着，为了研究尾翼斜置角对旋转状态下平直尾翼弹箭气动特性的影响，首先建立了三种不同尾翼斜置角的某翼身组合弹箭的数值计算模型，采用相同的数值模拟方法对这3种弹箭在不同工况下的气动特性进行了数值仿真，并着重分析了尾翼斜置角(0°、1°、2°)对其气动特性参数的影响。计算结果表明:随着尾翼斜置角的增大，旋转弹箭的升阻比明显降低，马格努斯效应明显增强而平均滚转力矩系数呈线性减小趋势。根据平均滚转力矩系数与转速、尾翼斜置角的变化关系，本文提出并验证了一种快速计算平均滚转力矩系数及平衡转速的新方法。 最后，研究了旋转(0转/s、0.5转/s、1转/s)对某弧形尾翼弹箭的气动特性进行了研究，并着重分析了转速对其滚转特性、马格努斯效应的影响，并且通过尾翼的压力云图随马赫数的变化情况阐述了2次滚转换向现象的形成机理。

目录

声明

摘要

图表目录

注释表

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2气动特性参数计算方法

1．3非弧形尾翼弹箭气动特性研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4弧形尾翼弹箭气动特性研究现状

1．4．1国外研究现状

1．4．2国内研究现状

1．5存在的问题与不足

1．6本文主要工作内容

2数值模拟方法及算法可靠性验证

2．1引言

2．2控制方程组

2．3离散方法与时间推进

2．4边界条件与初始条件

2．5湍流模型

2．5．1 Realizable k-ε模型

2．6滑移网格技术与网格生成

2．6．1滑移网格技术

2．6．2网格划分

2．7数值计算条件

2．8数值计算结果与风洞实验结果对比

2．8．1验证模型

2．8．2计算结果对比

2．8．3流场分析

2．9本章小结

3转速对平直尾翼弹箭气动特性影响研究

3．1弹箭几何模型及计算条件

3．1．1具体参数

3．1．2坐标系、旋向及力系方向定义

3．1．3网格尺度及时间步长独立性验证

3．2不同转速下弹箭气动特性参数变化规律

3．2．1阻力系数

3．2．2升力系数

3．2．3俯仰力矩系数

3．2．4滚转力矩系数

3．2．5马格努斯力系数

3．2．6马格努斯力矩系数

3．3流场分析

3．3．1压力分布云图

3．3．2速度矢量图

3．4本章小结

4尾翼斜置角对平直尾翼弹箭气动特性影响研究

4．1弹箭几何模型与计算条件

4．2不同尾翼斜置角下弹箭气动特性参数变化规律

4．2．1阻力系数

4．2．2升力系数

4．2．3俯仰力矩系数

4．2．4滚转力矩系数

4．2．5马格努斯力系数

4．2．6马格努斯力矩系数

4．3平衡转速

4．3．1平衡转速—拟合算法

4．3．2平衡转速—工程算法

4．3．3误差分析

4．4流场分析

4．4．1压力分布云图

4．4．2涡量图

4．5本章小结

5转速对弧形尾翼弹箭气动特性影响研究

5．1弹箭几何模型与计算条件

5．2不同转速下弹箭气动特性参数变化规律

5．2．1滚转力矩系数

5．2．2马格努斯力系数

5．2．3马格努斯力矩系数

5．3流场分析

5．3．1压力分布云图

5．3．2涡量图

5．3．3流线图

5．4本章小结

6总结与展望

6．1本文工作总结

6．2工作展望

致谢

参考文献

附录