基于Fluent的MAF風洞標準實驗?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）
彈丸空氣動力實驗的方法有兩種：
一是實彈實驗方法，就是用實彈在真實條件下進行，如靶場實彈射擊。這種實驗結(jié)果較可靠，但需要花費大量的人力、物力和時間，而且在某些條件下，甚至不能采用這種方法。所以實彈實驗，往往是在一系列的理論計算和用其他實驗方法之后，即在研究的最后階段如產(chǎn)品定型、編制射表時采用。
二是模型試驗方法，就是用模型在與實驗流動完全相似或部分相似的模擬流動中進行，模型的實驗結(jié)果，能換算到實際情況上去，如風洞吹風實驗、靶道設(shè)計實驗等。這是一種比較經(jīng)濟有效的方法。
MAF風洞是一種超小型、暫沖式、超音速空氣動力實驗設(shè)備，該設(shè)備以超小型和高超音速為最大特色，其實驗段幾何尺寸較小，工作室是一個內(nèi)部尺寸360 mm×226 mm×200 mm的直角箱，所需的試驗?zāi)Ｐ拖鄬^小，需采用模型實驗方法進行空氣動力試驗。
故筆者基于相似原理，設(shè)計適合于此風洞的彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與彈丸理論計算數(shù)據(jù)進行對比，為制作實驗?zāi)Ｐ屠鄯e標準實驗數(shù)據(jù)，為開設(shè)風洞測試基礎(chǔ)技術(shù)研究實驗提供理論參考。
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、運動相似、動力相似、熱力相似這4類。
在彈丸空氣動力試驗中，要嚴格滿足全部相似參數(shù)，將是非常困難的。因為模型流場和原型流場的氣流參數(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，除非采用特殊的實驗手段。
實際上，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。因此在空氣動力學(xué)試驗中，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風洞要求按馬赫數(shù)和雷諾數(shù)設(shè)計模型，彈丸高速飛行或氣流高速流動時，壓縮性和粘性同時起主要作用，此時必須同時保證Re數(shù)和Ma數(shù)相等。但馬赫數(shù)相似和雷諾數(shù)相似一般不能同時完全滿足。這是因為
式中，
ν為速度；
l為尺度；
帶“′”的為模型的值；
不帶“′”的為實物的值。
通常在風洞中，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)實驗中應(yīng)保證長徑比和Ma數(shù)相等。
2 實驗相似模型仿真計算
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風洞實驗相比較，結(jié)果如表1所列。
表1 實驗數(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)計適合于小型超音速風洞的實驗彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與風洞實驗數(shù)據(jù)進行對比，得到模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的誤差在15%以內(nèi)，故在模型設(shè)計初期應(yīng)用，首先應(yīng)用Fluent軟件進行仿真模擬是可行的，為實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計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，張 健.一種小型超音速風洞技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007，27(2)：216-218.
[3]韓占忠，王 敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.
[4]喬相信，等.基于MAF風洞的彈丸空氣動力實驗[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2011，31(6)：155-158.
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二是模型試驗方法，就是用模型在與實驗流動完全相似或部分相似的模擬流動中進行，模型的實驗結(jié)果，能換算到實際情況上去，如風洞吹風實驗、靶道設(shè)計實驗等。這是一種比較經(jīng)濟有效的方法。
MAF風洞是一種超小型、暫沖式、超音速空氣動力實驗設(shè)備，該設(shè)備以超小型和高超音速為最大特色，其實驗段幾何尺寸較小，工作室是一個內(nèi)部尺寸360 mm×226 mm×200 mm的直角箱，所需的試驗?zāi)Ｐ拖鄬^小，需采用模型實驗方法進行空氣動力試驗。
故筆者基于相似原理，設(shè)計適合于此風洞的彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與彈丸理論計算數(shù)據(jù)進行對比，為制作實驗?zāi)Ｐ屠鄯e標準實驗數(shù)據(jù)，為開設(shè)風洞測試基礎(chǔ)技術(shù)研究實驗提供理論參考。
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、運動相似、動力相似、熱力相似這4類。
在彈丸空氣動力試驗中，要嚴格滿足全部相似參數(shù)，將是非常困難的。因為模型流場和原型流場的氣流參數(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，除非采用特殊的實驗手段。
實際上，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。因此在空氣動力學(xué)試驗中，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風洞要求按馬赫數(shù)和雷諾數(shù)設(shè)計模型，彈丸高速飛行或氣流高速流動時，壓縮性和粘性同時起主要作用，此時必須同時保證Re數(shù)和Ma數(shù)相等。但馬赫數(shù)相似和雷諾數(shù)相似一般不能同時完全滿足。這是因為
式中，
ν為速度；
l為尺度；
帶“′”的為模型的值；
不帶“′”的為實物的值。
通常在風洞中，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)實驗中應(yīng)保證長徑比和Ma數(shù)相等。
2 實驗相似模型仿真計算
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圖1 仿真云圖
圖2 阻力曲線圖
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本文基于相似原理，設(shè)計適合于小型超音速風洞的實驗彈丸模型，應(yīng)用Fluent軟件進行仿真模擬，得出模擬數(shù)據(jù)與風洞實驗數(shù)據(jù)進行對比，得到模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的誤差在15%以內(nèi)，故在模型設(shè)計初期應(yīng)用，首先應(yīng)用Fluent軟件進行仿真模擬是可行的，為實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計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，張 健.一種小型超音速風洞技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007，27(2)：216-218.
[3]韓占忠，王 敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.
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