王 妍,周春桂,王志軍,趙春龍,陳軍葵

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

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反坦克智能雷流場(chǎng)與氣動(dòng)特性數(shù)值研究

王 妍,周春桂,王志軍,趙春龍,陳軍葵

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

文中建立了反坦克智能雷的三維模型,應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)智能雷進(jìn)行數(shù)值仿真,分析了智能雷流場(chǎng)和氣動(dòng)參數(shù)。發(fā)現(xiàn)智能雷的阻力系數(shù)會(huì)隨著迎角絕對(duì)值的增大而迅速增加,較大的偏航力系數(shù)將導(dǎo)致雷體翻轉(zhuǎn)或者偏離原彈道,智能雷周?chē)牧鲌?chǎng)變化很大,會(huì)使飛行處于不穩(wěn)定狀態(tài)。仿真結(jié)果會(huì)有助于智能雷穩(wěn)定性分析和氣動(dòng)特性?xún)?yōu)化。

反坦克智能雷;流場(chǎng);氣動(dòng)特性;數(shù)字仿真

0 引言

反坦克智能地雷,屬于一種新型的靈巧制導(dǎo)彈藥。首先布雷裝置預(yù)先將智能雷投放到作戰(zhàn)區(qū)域,當(dāng)雷體上的掃描裝置探測(cè)到坦克在識(shí)別區(qū)內(nèi)行進(jìn)時(shí),發(fā)射裝置就會(huì)將智能地雷拋出,使其一邊掃描目標(biāo)一邊撲向坦克目標(biāo)最為薄弱的部位。智能雷殺傷區(qū)域半徑200 m左右,速度范圍20～100 m/s[1]。

通常,在進(jìn)行氣動(dòng)力特性研究時(shí),智能雷可看作由本體和掃描器兩構(gòu)件固連在一起的剛體,藥型罩和起爆裝置位于智能雷頭部。本體形狀簡(jiǎn)化為圓柱形,掃描器簡(jiǎn)化為立方體。

反坦克智能雷技術(shù)的發(fā)展是國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同努力的結(jié)果。西方國(guó)家已研制出馬扎克、XM-93等型號(hào)針對(duì)不同目標(biāo)的武器系統(tǒng)。尹建平等從智能雷對(duì)目標(biāo)毀傷效能角度對(duì)坦克目標(biāo)進(jìn)行易損性分析[2-3];張永生等根據(jù)目標(biāo)速度以及目標(biāo)與雷的距離確定了反坦克智能雷最佳作戰(zhàn)時(shí)間和地點(diǎn)[4];常變紅等通過(guò)仿真軟件變化發(fā)射初始條件、雷體質(zhì)量和殼體參數(shù)來(lái)討論其對(duì)智能雷飛行過(guò)程的影響[5-6];劉紀(jì)東等評(píng)估了智能雷配合其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的作戰(zhàn)效果[7]。尹建平等發(fā)現(xiàn)使用多爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部技術(shù)可以更有效的擊穿集群坦克或裝甲車(chē)輛的頂部防護(hù)[8]。

而對(duì)于反坦克智能雷氣動(dòng)力參數(shù)和流場(chǎng)分析的研究較少。文中基于典型反坦克智能雷,建立雷體三維模型,為了得到智能雷在不同攻角時(shí)的流場(chǎng)與氣動(dòng)特性,探究攻角對(duì)智能雷飛行穩(wěn)定性和氣動(dòng)力的影響,對(duì)雷體質(zhì)心速度為45 m/s、70 m/s、100 m/s的三維智能雷流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

智能雷長(zhǎng)細(xì)比一般很小,無(wú)曲線頭部,頭部為平頭或鈍頭,雷體全部為圓柱體。本次仿真中智能雷本體簡(jiǎn)化為短圓柱,長(zhǎng)徑比為0.8,掃描器簡(jiǎn)化為立方體邊長(zhǎng)為智能雷直徑的0.053,如圖1所示。

圖1 仿真使用的智能雷外形圖

1.2 三維區(qū)域

確定三維區(qū)域是為了確定空氣流場(chǎng)的計(jì)算域,本次計(jì)算域：長(zhǎng)(x)為25倍彈徑,寬(y)為20倍彈高,高(z)為20倍彈徑的立方體,在計(jì)算域中部布置智能雷模型。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,數(shù)量193萬(wàn)。為了使得在相同計(jì)算量時(shí)的計(jì)算更符合實(shí)際,對(duì)模型表面進(jìn)行了邊界層控制,邊界層厚度是0.1 mm。雷體表面網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 雷體局部網(wǎng)格示意圖

網(wǎng)格質(zhì)量報(bào)告如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量圖

1.3 求解方法

空氣動(dòng)力學(xué)中一般將Ma小于0.3的流動(dòng)稱(chēng)作不可壓縮流動(dòng),因此求解器采用適用于低速繞流的壓力基求解器,離散方法為有限容積法,湍流模型采用Spalart-Allmaras,這是一種適合飛行器繞流模擬的模型。Viscos ity方程的差分格式選擇導(dǎo)彈外流場(chǎng)仿真常用的Second Order Upwind[9]。

2 仿真結(jié)果

2.1 參數(shù)設(shè)置

1)計(jì)算模型的參考長(zhǎng)度L=0.015 m(圓柱高),參考面積S參=0.002 565 m2(軸向?qū)ΨQ(chēng)面截面積),壓強(qiáng)P=101 325 Pa;

2)壁面(WALL)條件為默認(rèn)值,邊界條件入口選定速度入口,出口選定壓力出口;

3)不設(shè)置各方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn),如果氣動(dòng)力收斂則可認(rèn)為結(jié)果收斂;

4)智能雷無(wú)旋轉(zhuǎn)速度。

2.2 氣動(dòng)力結(jié)果與分析

計(jì)算了來(lái)流速度為45 m/s,70 m/s,100 m/s,攻角α=-30°～30°時(shí)的流場(chǎng)和氣動(dòng)力參數(shù)。

圖4(a)是阻力系數(shù)隨攻角變化曲線。從圖中看出來(lái)流速度是定值時(shí),阻力系數(shù)的曲線形狀近似余弦曲線。由于攻角絕對(duì)值越大,本體和掃描器兩部分迎風(fēng)面積也越大,因此空氣阻力的大小隨著攻角絕對(duì)值增大而迅速增大。不同來(lái)流速度阻力系數(shù)值在攻角是一定時(shí)相差不大。

圖4(b)、圖4(c)是升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律,智能雷在空中飛行時(shí)產(chǎn)生的升力很小,不同來(lái)流速度升力系數(shù)值沒(méi)有較大的變動(dòng)。

圖4(d)是側(cè)向力系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律,側(cè)力值較大,會(huì)使智能雷飛行過(guò)程中產(chǎn)生側(cè)偏。不同速度的側(cè)向力呈現(xiàn)的規(guī)律相同,差值很小。

2.3 流場(chǎng)分析

圖5(a)～圖5(c)分別為v=70 m/s時(shí),α=-10°～10°,攻角平面流場(chǎng)的等壓線圖。

在α=0°時(shí),在智能雷左側(cè)吹風(fēng),迎風(fēng)面形成高壓區(qū),氣流繞流雷體后,產(chǎn)生膨脹,在智能雷頭部和尾部形成低壓區(qū)。攻角增大后,迎風(fēng)面的高壓區(qū)范圍縮小,并向雷體頭部方向移動(dòng),而雷體尾部低壓區(qū)范圍擴(kuò)大并與右側(cè)背風(fēng)面低壓區(qū)融為一體,頭部低壓區(qū)向左側(cè)移動(dòng)。這一現(xiàn)象會(huì)使智能雷有縱向抬頭趨勢(shì)。攻角減小時(shí),左側(cè)迎風(fēng)面高壓區(qū)向智能雷尾部移動(dòng),尾部低壓區(qū)向左側(cè)移動(dòng),會(huì)使智能雷有縱向低頭趨勢(shì)。頭部低壓區(qū)逐漸擴(kuò)大與右側(cè)背風(fēng)面低壓區(qū)融為一體。雷體周?chē)鷫毫×业淖兓瘜?huì)使智能雷飛行穩(wěn)定性變差,尤其當(dāng)智能雷飛行速度增大時(shí)。

圖4 計(jì)算的氣動(dòng)力系數(shù)

圖5 v=70 m/s不同攻角下攻角平面壓力圖

4 結(jié)論

文中探討了攻角變化角度對(duì)反坦克智能雷氣動(dòng)特性的影響,數(shù)值計(jì)算結(jié)果一定程度上反映了智能雷的空氣動(dòng)力特性,可以為進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化智能雷穩(wěn)態(tài)掃描平臺(tái)提供依據(jù)和參考。智能雷動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)有差異,有必要進(jìn)行更為系統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),結(jié)合數(shù)值模擬方法研究反坦克智能雷的氣動(dòng)特性。

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Numerical Research on Flow Flied and Aerodynamic Characteristics ofAnti-tank Intelligent Mines

WANG Yan,ZHOU Chungui,WANG Zhijun,ZHAO Chunlong,CHEN Junkui

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

A three-dimensional model of anti-tank intelligent mine was established. Computational fluid dynamic software was applied in numerical simulation on flow flied and aerodynamic characteristics of intelligent mines. Results show that drag coefficient of the intelligent mine will increase rapidly with increase of absolute value of angle of attack, large yawing force coefficient will make mine body flip or deviate from original trajectory, the flow field of intelligent mine changes a lot, which can make the flight be in unsteady state. The simulations results can provide help for stability analysis and aerodynamic characteristics optimization of intelligent mine.

anti-tank intelligent mines; flow flied; aerodynamic characteristics; digital simulation

2015-04-15

王妍(1990-),女,山西呂梁人,碩士研究生,研究方向:火炮、自動(dòng)武器與彈藥工程。

TJ011.2;TJ412.3

A