基于Fluent的MAF風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/h1>
2012-02-20 03:31:38王新穎
裝備制造技術(shù) 2012年8期
王新穎
（沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）
彈丸空氣動力實(shí)驗(yàn)的方法有兩種：
一是實(shí)彈實(shí)驗(yàn)方法，就是用實(shí)彈在真實(shí)條件下進(jìn)行，如靶場實(shí)彈射擊。這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果較可靠，但需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，而且在某些條件下，甚至不能采用這種方法。所以實(shí)彈實(shí)驗(yàn)，往往是在一系列的理論計(jì)算和用其他實(shí)驗(yàn)方法之后，即在研究的最后階段如產(chǎn)品定型、編制射表時(shí)采用。
二是模型試驗(yàn)方法，就是用模型在與實(shí)驗(yàn)流動完全相似或部分相似的模擬流動中進(jìn)行，模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能換算到實(shí)際情況上去，如風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)、靶道設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。這是一種比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。
MAF風(fēng)洞是一種超小型、暫沖式、超音速空氣動力實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備以超小型和高超音速為最大特色，其實(shí)驗(yàn)段幾何尺寸較小，工作室是一個(gè)內(nèi)部尺寸360 mm×226 mm×200 mm的直角箱，所需的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬^小，需采用模型實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行空氣動力試驗(yàn)。
故筆者基于相似原理，設(shè)計(jì)適合于此風(fēng)洞的彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與彈丸理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，為制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠鄯e標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為開設(shè)風(fēng)洞測試基礎(chǔ)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)提供理論參考。
1 相似理論的應(yīng)用
相似流動是指兩流動中，對應(yīng)的物理量的大小成比例，對應(yīng)向量在對應(yīng)坐標(biāo)中的方位相同，則此兩流動成為相似流動。相似流動分為幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似、熱力相似這4類。
在彈丸空氣動力試驗(yàn)中，要嚴(yán)格滿足全部相似參數(shù)，將是非常困難的。因?yàn)槟Ｐ土鲌龊驮土鲌龅臍饬鲄?shù)組成的相似參數(shù)，只能滿足部分相等。例如：為了滿足Ma數(shù)相等，就很難滿足Re數(shù)相等，除非采用特殊的實(shí)驗(yàn)手段。
實(shí)際上，上述相似參數(shù)并不是同等重要的，即影響流動的因素并非同時(shí)都起顯著作用。在不同的繞流情況下，往往只有一種或兩種相似判據(jù)起決定的作用，余者都可以忽略不計(jì)。因此在空氣動力學(xué)試驗(yàn)中，只能做到部分相似，即保持對流場特性起決定作用的因素相似。
MAF風(fēng)洞要求按馬赫數(shù)和雷諾數(shù)設(shè)計(jì)模型，彈丸高速飛行或氣流高速流動時(shí)，壓縮性和粘性同時(shí)起主要作用，此時(shí)必須同時(shí)保證Re數(shù)和Ma數(shù)相等。但馬赫數(shù)相似和雷諾數(shù)相似一般不能同時(shí)完全滿足。這是因?yàn)?/p>
式中，
ν為速度；
l為尺度；
帶“′”的為模型的值；
不帶“′”的為實(shí)物的值。
通常在風(fēng)洞中，若 Ma=Ma'，c=c'，則 ν= ν'。
由于 l≠ l'，所以 Re≠ Re'，就是說Ma和 Re不能同時(shí)相似。
所幸的是，研究表明，Re數(shù)大于臨界值以后，Re數(shù)變化的影響，基本可以不用考慮，在條件許可的情況下，盡可能滿足Ma數(shù)相似的要求即可。
所以，從彈丸空氣動力學(xué)角度出發(fā)得出的結(jié)論是：在保證一定Re數(shù)的前提下，彈丸空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)保證長徑比和Ma數(shù)相等。
2 實(shí)驗(yàn)相似模型仿真計(jì)算
基于相似分析，某口徑彈丸將彈丸尺寸縮小為原尺寸的1/5進(jìn)行模型仿真研究分析。
保持長徑比原彈丸一致，彈丸模型長度129 mm，直徑21.3 mm，頭部圓弧半徑292 mm。經(jīng)計(jì)算尺寸縮小后，彈丸模型的Re數(shù)依然大于臨界值，Re數(shù)變化的影響，基本可以不用考慮，故要求Ma數(shù)相等，即馬赫數(shù)取為3。邊界為360 mm×200 mm，入口邊界條件選著為速度入口（Velocity inlet），出口邊界條件設(shè)置為壓力出口（pressure outlet），彈丸與支架固定不動，采用無滑移的壁面條件（wall），由于彈丸為軸對稱的，設(shè)置中間的線為對稱軸。仿真結(jié)果以阻力曲線圖為例，如圖1、圖2所示。
圖1 仿真云圖
圖2 阻力曲線圖
將仿真結(jié)果與MAF風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比較，結(jié)果如表1所列。
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比表
3 結(jié)束語
本文基于相似原理，設(shè)計(jì)適合于小型超音速風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在15%以內(nèi)，故在模型設(shè)計(jì)初期應(yīng)用，首先應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬是可行的，為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)以及制作提供理論參考。
[1]沈仲書，劉亞飛.彈丸空氣動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.
[2]姚 俊，張永強(qiáng)，張 健.一種小型超音速風(fēng)洞技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27(2)：216-218.
[3]韓占忠，王 敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.
[4]喬相信，等.基于MAF風(fēng)洞的彈丸空氣動力實(shí)驗(yàn)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，31(6)：155-158.
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王新穎
（沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）
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一是實(shí)彈實(shí)驗(yàn)方法，就是用實(shí)彈在真實(shí)條件下進(jìn)行，如靶場實(shí)彈射擊。這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果較可靠，但需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，而且在某些條件下，甚至不能采用這種方法。所以實(shí)彈實(shí)驗(yàn)，往往是在一系列的理論計(jì)算和用其他實(shí)驗(yàn)方法之后，即在研究的最后階段如產(chǎn)品定型、編制射表時(shí)采用。
二是模型試驗(yàn)方法，就是用模型在與實(shí)驗(yàn)流動完全相似或部分相似的模擬流動中進(jìn)行，模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能換算到實(shí)際情況上去，如風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)、靶道設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。這是一種比較經(jīng)濟(jì)有效的方法。
MAF風(fēng)洞是一種超小型、暫沖式、超音速空氣動力實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備以超小型和高超音速為最大特色，其實(shí)驗(yàn)段幾何尺寸較小，工作室是一個(gè)內(nèi)部尺寸360 mm×226 mm×200 mm的直角箱，所需的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬^小，需采用模型實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行空氣動力試驗(yàn)。
故筆者基于相似原理，設(shè)計(jì)適合于此風(fēng)洞的彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與彈丸理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，為制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠鄯e標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為開設(shè)風(fēng)洞測試基礎(chǔ)技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)提供理論參考。
1 相似理論的應(yīng)用
相似流動是指兩流動中，對應(yīng)的物理量的大小成比例，對應(yīng)向量在對應(yīng)坐標(biāo)中的方位相同，則此兩流動成為相似流動。相似流動分為幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似、熱力相似這4類。
在彈丸空氣動力試驗(yàn)中，要嚴(yán)格滿足全部相似參數(shù)，將是非常困難的。因?yàn)槟Ｐ土鲌龊驮土鲌龅臍饬鲄?shù)組成的相似參數(shù)，只能滿足部分相等。例如：為了滿足Ma數(shù)相等，就很難滿足Re數(shù)相等，除非采用特殊的實(shí)驗(yàn)手段。
實(shí)際上，上述相似參數(shù)并不是同等重要的，即影響流動的因素并非同時(shí)都起顯著作用。在不同的繞流情況下，往往只有一種或兩種相似判據(jù)起決定的作用，余者都可以忽略不計(jì)。因此在空氣動力學(xué)試驗(yàn)中，只能做到部分相似，即保持對流場特性起決定作用的因素相似。
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圖1 仿真云圖
圖2 阻力曲線圖
將仿真結(jié)果與MAF風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比較，結(jié)果如表1所列。
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比表
3 結(jié)束語
本文基于相似原理，設(shè)計(jì)適合于小型超音速風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在15%以內(nèi)，故在模型設(shè)計(jì)初期應(yīng)用，首先應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真模擬是可行的，為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)以及制作提供理論參考。
[1]沈仲書，劉亞飛.彈丸空氣動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.
[2]姚 俊，張永強(qiáng)，張 健.一種小型超音速風(fēng)洞技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27(2)：216-218.
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[4]喬相信，等.基于MAF風(fēng)洞的彈丸空氣動力實(shí)驗(yàn)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，31(6)：155-158.
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