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        尾翼傾斜角對旋轉(zhuǎn)彈箭氣動(dòng)特性影響

        2020-06-07 03:16:44楊文鳳王學(xué)德馬庚軍
        兵器裝備工程學(xué)報(bào) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:彈箭尾翼傾斜角

        張 超,李 丹,田 磊,楊文鳳,王學(xué)德,馬庚軍

        (1.中國飛行試驗(yàn)研究院, 西安 710089; 2.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 南京 210094)

        為了大幅提高不帶控制系統(tǒng)彈箭的命中精度和穩(wěn)定性,一般都采用彈箭低速旋轉(zhuǎn)的方法[1],而實(shí)現(xiàn)彈箭旋轉(zhuǎn)的方式之一是采用傾斜尾翼,但尾翼傾斜角選取得不合理,輕則導(dǎo)致彈箭飛行不穩(wěn)定,重則導(dǎo)致掉彈危險(xiǎn)。基于此背景,研究尾翼傾斜角度的大小對其氣動(dòng)特性影響就變得非常有意義。

        DeSpirito[2]采用小擾動(dòng)法對彈丸的Magnus效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算,求出Magnus力和力矩。Klatt等[3]對比風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和采用RANS方法下的計(jì)算結(jié)果,得到了大攻角下Magnus效應(yīng)的變化規(guī)律。Leroy[4]對舵身組合彈箭的氣動(dòng)特性計(jì)算分析表明,在大攻角下,其滾轉(zhuǎn)特性和Magnus特性參數(shù)呈非線性變化趨勢。Nietubicz[5]基于薄層假設(shè)的非定常Navier-Stokes方程發(fā)現(xiàn)邊界層的非對稱畸變對彈丸Magnus力的貢獻(xiàn)最大。

        2005年,高旭東等[6]比較了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)方法對旋轉(zhuǎn)彈流場的計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩者計(jì)算得到的動(dòng)導(dǎo)數(shù)相差較小,但是瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)時(shí)間。2011年,周德娟[7]利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法模擬了不同尾翼數(shù)下旋轉(zhuǎn)彈的滾轉(zhuǎn)特性,發(fā)現(xiàn)尾翼數(shù)目與滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)呈反比關(guān)系。張超等[8]計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速下彈箭的氣動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)Magnus力隨滾轉(zhuǎn)角呈正弦變化趨勢,轉(zhuǎn)速與滾轉(zhuǎn)力矩呈線性變化關(guān)系。石磊等[9]基于修正一方程Spalart-Allmaras湍流模型和兩方程SST湍流模型計(jì)算了高速旋轉(zhuǎn)的ANF(Army-Navy Finner)標(biāo)模的氣動(dòng)力及力矩。

        進(jìn)入21世紀(jì)以來,各國科研工作者對旋轉(zhuǎn)彈展開了系統(tǒng)而深入的研究,已經(jīng)掌握Magnus效應(yīng)、滾轉(zhuǎn)特性等氣動(dòng)參數(shù)的變化機(jī)理,但對實(shí)現(xiàn)彈箭旋轉(zhuǎn)的方式——尾翼傾斜角對彈箭氣動(dòng)參數(shù)的影響,這方面的研究文獻(xiàn)非常少。基于此背景,本文提出基于滑移網(wǎng)格技術(shù)的旋轉(zhuǎn)彈氣動(dòng)特性數(shù)值仿真方法,系統(tǒng)地研究尾翼傾斜角對彈箭氣動(dòng)特性的影響。

        1 數(shù)值模擬方法

        滑移網(wǎng)格技術(shù)具有可信度高,運(yùn)行速度快等優(yōu)勢[9],普遍地應(yīng)用在彈箭旋轉(zhuǎn)的氣動(dòng)計(jì)算方面,圖1為滑移網(wǎng)格區(qū)域劃分示意圖。

        圖1 滑移網(wǎng)格區(qū)域劃分示意圖

        控制方程采用非定常守恒型Navier-Stokes方程組

        可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型能較為準(zhǔn)確地捕捉到旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的流場細(xì)節(jié)[10-11],因此本文采用該模型進(jìn)行數(shù)值仿真,空間離散采用有限體積法,對流項(xiàng)設(shè)置為AUSM+格式,黏性項(xiàng)設(shè)置為中心差分格式。

        對于非定常計(jì)算結(jié)果影響較大關(guān)鍵參數(shù)之一是時(shí)間步長,合理的時(shí)間步長可以加速收斂所需的時(shí)間,因此本文采用雙時(shí)間步長技術(shù)。

        2 算法的有效性驗(yàn)證

        2.1 驗(yàn)證模型

        為了驗(yàn)證該數(shù)值仿真算法的有效性,本文選取了F4彈箭模型[7],該模型的具體尺寸如圖2所示,其計(jì)算工況有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示,無量綱轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為彈徑(轉(zhuǎn)速/聲速,N為迭代次數(shù),Δt為計(jì)算步長。

        表1 計(jì)算工況

        升力系數(shù)、阻力系數(shù)、繞過某一參考軸的力矩系數(shù)分別為

        圖2 F4彈箭模型

        2.2 算法的有效性驗(yàn)證

        圖3給出了F4模型的氣動(dòng)系數(shù)隨Ma值的變化曲線,并給出了相同工況下參考文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果。由圖可知:文本中的計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)中計(jì)算值高度吻合,誤差均在5%以內(nèi),因此可以說明本文選取的數(shù)值計(jì)算方法適用于全Ma數(shù)條件下,并且有較高的精度。

        圖3 氣動(dòng)系數(shù)隨Ma值的變化曲線

        3 彈箭Magnus效應(yīng)數(shù)值計(jì)算

        3.1 模型、網(wǎng)格和計(jì)算狀態(tài)

        計(jì)算模型如圖4(a),其尺寸參數(shù)如圖4(b)所示。彈徑Dm=412 mm,重心Xmc=4.2D,彈長Dl=7.2D,翼根弦長br=1.1D,翼梢弦長bt=0.4D,網(wǎng)格模型如圖5。選取的計(jì)算狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

        圖4 模型及尺寸

        圖5 彈箭網(wǎng)格模型

        表2 計(jì)算狀態(tài)參數(shù)

        3.2 網(wǎng)格和時(shí)間步長無關(guān)性驗(yàn)證

        為了選取合適的時(shí)間步長和網(wǎng)格數(shù),本文給出了Ma=1.6、α=2°、γ=1°工況下,時(shí)間步長分別為0.004、0.006、0.008以及0.01下各氣動(dòng)系數(shù),如圖 6所示。可見隨著時(shí)間步長的不斷減小,其氣動(dòng)特性系數(shù)趨于收斂,因此選取后續(xù)計(jì)算時(shí)間步長為0.006。

        圖6 不同時(shí)間步長下的氣動(dòng)特性系數(shù)曲線

        在網(wǎng)格數(shù)M分別等于8×106、7×106、6×106、5×106下氣動(dòng)系數(shù)如表 3所示??梢婋S著網(wǎng)格數(shù)的不斷增加,相鄰兩組網(wǎng)格數(shù)下的氣動(dòng)力或力矩的差值越來越小,表明該系數(shù)逐漸穩(wěn)定。由于最后兩組網(wǎng)格數(shù)下的計(jì)算結(jié)果差異較小(四組氣動(dòng)特性系數(shù)的差值分別為0.11%、0.51%、0.72%、0.76%),所以后續(xù)計(jì)算選取網(wǎng)格數(shù)7×106。

        表3 網(wǎng)格數(shù)對氣動(dòng)特性系數(shù)

        3.3 不同狀態(tài)下的流場結(jié)構(gòu)

        圖7給出了在Ma=2.0、α=2°時(shí)尾翼處的壓力云圖,其中x表示截面位置,L表示彈長,圖中的1~4分別代表4片尾翼。從圖 7(a)可知:彈體附近的壓力較其他部分的壓力高,并且呈“蝴蝶”形狀分布;由于此時(shí)彈箭關(guān)于xy平面不對稱,并且由于攻角產(chǎn)生的橫流的影響,導(dǎo)致尾翼兩側(cè)的壓力分布不對稱。同時(shí)發(fā)現(xiàn)尾翼4兩側(cè)的壓力差最大。這是由于尾翼3并未完全擋住尾翼4,尾翼4的下翼面仍然處于橫流(即迎風(fēng)面)中,上翼面完全處于背風(fēng)區(qū)。尾翼1兩側(cè)的壓力差最小,這是由于尾翼2完全遮擋了尾翼1,導(dǎo)致尾翼1完全處于背風(fēng)區(qū)。對比圖 7(a)、(b)、(c)發(fā)現(xiàn):隨著尾翼傾斜角的增大,尾翼1處兩側(cè)的壓力差逐漸增大,這是由于隨著尾翼傾斜角的增大,尾翼兩側(cè)的氣流分布不均進(jìn)一步加劇。

        圖7 不同尾翼傾斜角下尾翼處(x/L=0.95)壓力云圖(Ω=0.003 8)

        圖8給出了在Ma=2.0、α=2°時(shí)彈體不同截面的渦量強(qiáng)度,其中x表示截面位置,L表示彈長。同時(shí)為了更好地顯示渦量強(qiáng)度,將渦量強(qiáng)度大于10萬以及小于1 500的區(qū)域不予顯示。由圖 8(a)可知:盡管尾翼傾斜角為0,但是由于轉(zhuǎn)速不為0且此時(shí)彈箭關(guān)于攻角平面不對稱,因此在彈體表面以及尾翼附近產(chǎn)生渦流。對比圖 8(a)、(b)、(c)可知:隨著尾翼傾斜角的增大,氣流由于混合產(chǎn)生的擾動(dòng)加劇,從而使得渦流強(qiáng)度加劇。

        圖8 不同尾翼傾斜角下尾翼處(x/L=0.95)的渦量強(qiáng)度圖(Ω=0.003 8)

        3.4 不同狀態(tài)下氣動(dòng)特性分析

        本文中彈箭模型的尾翼采用差動(dòng)布置方式,即對一對尾翼而言,一片尾翼的傾斜角為+γ,則另一片尾翼的傾斜角為-γ。

        從圖 9可知,尾翼傾斜角從0°增加到2°的過程中,平均阻力系數(shù)處于非定比值增大趨勢。這主要是因?yàn)閷τ谝粚Σ顒?dòng)布置的尾翼而言,一側(cè)尾翼的局部附加攻角增加而另一側(cè)尾翼的局部附加攻角減小,并且阻力系數(shù)隨攻角的增大呈現(xiàn)非線性增加特性(近似拋物線增長規(guī)律),即由+γ引起的阻力增量遠(yuǎn)大于由-γ引起的減小量,正尾翼傾斜角引起的阻力增加量減去負(fù)尾翼傾斜角引起的阻力減小量所得的結(jié)果即為整個(gè)彈箭的阻力增加量,并且γ越大則平均阻力系數(shù)增加越明顯,由表4可知,在同一Ma數(shù)下,彈體提供的阻力基本保持不變,而尾翼提供的阻力隨尾翼傾斜角的增大而顯著增大;表5給出了尾翼傾斜角γ引起的平均阻力系數(shù)增量。

        在小攻角范圍內(nèi),升力系數(shù)呈定比值(即線性變化)變化規(guī)律,因此由+γ,-γ引起的升力增大量和減小量大小相等方向相反,因此整個(gè)彈箭總升力系數(shù)隨著尾翼傾斜角的變化基本保持不變。

        圖9 平均阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨Ma數(shù)的變化曲線

        表4 4°攻角下不同部件對彈箭阻力增加量

        表5 尾翼傾斜角γ引起的平均阻力系數(shù)增加量 %

        從圖 10(a)可知,隨著尾翼傾斜角從0°逐漸增大到2°,三條平均俯仰力矩系數(shù)曲線基本重合,產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是在小攻角情況下,升力在彈箭上的作用點(diǎn)不隨攻角變化而變化,因此升力減小量ΔL左對質(zhì)心取矩形成的俯仰力矩ΔML-左和升力增加量ΔL右對質(zhì)心形成的俯仰力矩ΔML-右大小相等且方向相反,總俯仰力矩系數(shù)隨著尾翼傾斜角的變化基本保持不變。

        從圖 10(b)可知,隨著尾翼傾斜角從0°增加到2°,平均滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)呈增大趨勢,且當(dāng)尾翼傾斜角為0時(shí),該系數(shù)為負(fù)值,即為滾轉(zhuǎn)阻尼力矩系數(shù),這是由于氣流黏性的存在,阻礙彈箭的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)傾斜角大于0°時(shí),該系數(shù)均為正值,這是由于空氣動(dòng)力引起的滾轉(zhuǎn)力矩始終大于空氣黏性引起的滾轉(zhuǎn)阻尼力矩的緣故。由表 6可知,在同一攻角和Ma數(shù)下,隨著尾翼傾斜角的增加,平均滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)典型的定比值呈增大趨勢,這是由于彈體左側(cè)翼面產(chǎn)生一個(gè)向下的附加升力ΔL左而彈體右側(cè)翼面產(chǎn)生一個(gè)向上的附加升力ΔL右,這兩個(gè)附加升力對OX軸取矩則形成了滾轉(zhuǎn)力矩,并且由于該力矩方向與參考方向相同,所以平均滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為正值。在小攻角時(shí),升力隨攻角呈線性變化規(guī)律,因此由附加升力產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩隨γ的增大呈線性變化規(guī)律。

        圖10 平均俯仰力矩和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨Ma數(shù)的變化曲線

        表6 尾翼傾斜角引起的滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)增加量

        由圖 11可知,平均Magnus力系數(shù)隨Mach數(shù)呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢,并且在Ma=1.1附近取得最大值;平均Magnus力系數(shù)隨著尾翼傾斜角的變化呈現(xiàn)非定比值增大趨勢;平均Magnus力矩系數(shù)的變化趨勢與該系數(shù)的變化趨勢一致,不再贅述。

        由表7可知:對比兩者所占百分比可知:全彈的Magnus力系數(shù)主要由壓力分量貢獻(xiàn),尤其是Ma=1.1時(shí);黏性分量對全彈的平均Magnus力系數(shù)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。

        4 結(jié)論

        1) 隨著尾翼傾斜角的增加,平均阻力系數(shù)呈現(xiàn)非定比值增大趨勢,平均滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)呈定比值增大趨勢;

        2) 隨著尾翼傾斜角的增加,平均升力及俯仰力矩系數(shù)不變。

        3) 隨著尾翼傾斜角的增大,平均Magnus力和力矩系數(shù)呈非線性增大趨勢,并且相比于壓差分量,黏性分量對Magnus力的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì),尤其在臨界Ma數(shù)附近。

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