基于氣泡型非光滑表面的彈丸減阻性能研究

裴乙橦，邵偉平，郝永平，陳 闖，趙洪力

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司 研發(fā)中心，遼寧 沈陽 110159)

彈丸在飛行過程中受周圍氣流的作用，其表面的壓力分布不均勻，壓力差會對彈體表面產(chǎn)生黏性摩擦力[1].因此，多年來，在各種彈丸的設(shè)計(jì)研制過程中，減小彈丸所受摩擦力一直是科技人員努力的方向.國外在這方面已有成果應(yīng)用于工程實(shí)踐，法國的“西北風(fēng)”地空導(dǎo)彈是較早的成功例子.這種導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭頭罩采用八棱錐結(jié)構(gòu)，由8塊厚薄一致的紅外高透射率的梯形氟化鎂玻璃板膠接而成，使導(dǎo)彈的氣動阻力大大減小，其射程和機(jī)動能力都有很大提高[2].另一種有效減阻的方法是通過改變彈丸表面粗糙度來改變彈丸附近流場.Walsh最先開展微溝槽平板減阻的研究，引起了各國研究者對非光滑表面減阻研究的興趣[3]；田麗梅等從工程仿生學(xué)角度，對布置在尾部的凸包型、凹坑型和棱紋型非光滑表面旋成體模型進(jìn)行試驗(yàn)，得出了非光滑表面可以降低總阻力的結(jié)論[4]；張成春等利用三角形溝槽表面的旋成體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，取得了比較理想的減阻效果[5].

目前，國內(nèi)對非光滑表面減阻主要集中在對V型、U型等溝槽的研究上[6].本文用Fluent軟件對另一種非光滑表面——?dú)馀菪捅砻娴膹楏w進(jìn)行數(shù)值模擬，并綜合分析氣泡數(shù)量和氣泡大小在不同攻角和馬赫數(shù)下對彈體阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響.

1 模型建立和網(wǎng)格劃分

利用Pro/Engineer軟件建立一個(gè)彈丸模型，氣泡位置與彈丸頂部截面的距離為142.14 mm.彈體模型如圖1所示.

圖1 彈體模型

采用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分.在彈頭部和微氣泡的位置加密網(wǎng)格，且由彈頭至彈尾方向展開.彈體表面采用網(wǎng)格漸疏的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分.對于微氣泡陣列結(jié)構(gòu)的彈頭部，在混合網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行加密處理；對于其他空間，距離微氣泡陣列結(jié)構(gòu)彈丸越近的部分網(wǎng)格劃分越密，距離微氣泡彈丸模型越遠(yuǎn)的部分網(wǎng)格劃分越稀疏；對于節(jié)點(diǎn)相同的部分應(yīng)疏密適量.這種網(wǎng)格劃分方法可以在保證較高計(jì)算精度的條件下有效縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率[7].本文劃分的微氣泡陣列結(jié)構(gòu)彈丸整體和外流場網(wǎng)格如圖2所示.

圖2 微氣泡陣列結(jié)構(gòu)彈丸整體和外流場網(wǎng)格

2 計(jì)算條件

采用壓力基耦合求解器和Spalast-Allmaras湍流模型可對計(jì)算中的邊界條件進(jìn)行設(shè)置.采用壓力遠(yuǎn)場邊界，將壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，靜壓p=101 325 Pa，靜溫T=288.15 K，遠(yuǎn)場來流密度ρ=1.225 kg/m3，流體動力黏度系數(shù)μ=1.789×105kg/(m·s).本文運(yùn)用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流動方向與網(wǎng)格不一定一致，所以采用了二階迎風(fēng)計(jì)格式.

3 微氣泡對彈丸阻力的影響

彈丸在空中飛行時(shí)，必然會受到空氣阻力的影響，而空氣阻力又是影響彈丸飛行距離的重要參數(shù)之一.因此，研究微致動器結(jié)構(gòu)對彈丸的阻力影響非常必要.

3.1 氣泡大小對阻力系數(shù)Cd的影響

設(shè)微氣泡的個(gè)數(shù)n=8不變，微氣泡的直徑d=6、8、10(單位為mm)，馬赫數(shù)Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.

在不同直徑微氣泡致動器作用下，當(dāng)馬赫數(shù)為0.5，攻角為0～8°時(shí)，微氣泡直徑為10 mm比6 mm和8 mm的阻力系數(shù)大；當(dāng)攻角大于2°時(shí)，微氣泡直徑為8 mm的阻力系數(shù)隨攻角的增大而快速增大，且大于其他兩種狀態(tài)(圖3).當(dāng)馬赫數(shù)為1.0(圖4)和1.5(圖5)時(shí)，阻力系數(shù)的變化趨勢隨攻角的增大而增大，但增量比較小，而且d=8 mm的阻力系數(shù)最大.比較后可知：當(dāng)攻角小于3°時(shí)，微氣泡直徑d=6 mm的阻力系數(shù)比較理想；當(dāng)攻角大于3°時(shí)，微氣泡直徑d=10 mm的阻力系數(shù)比較理想.

圖3 不同氣泡直徑下Ma=0.5時(shí)阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線

圖4 不同氣泡直徑下Ma=1.0時(shí)阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線

圖5 不同氣泡直徑下Ma=1.5時(shí)阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線

3.2 氣泡個(gè)數(shù)對阻力系數(shù)Cd的影響

設(shè)微氣泡直徑d=8 mm不變，微氣泡個(gè)數(shù)n=6、8、10，馬赫數(shù)Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.仿真結(jié)果如圖6～圖8所示.

從圖6～圖8可看出，馬赫數(shù)越大則阻力系數(shù)越大，當(dāng)馬赫數(shù)為1.0和1.5時(shí)，不同氣泡個(gè)數(shù)下彈丸阻力系數(shù)的變化趨勢相似，都是隨著攻角的增大而增大的.對比這3種馬赫數(shù)時(shí)的阻力系數(shù)，氣泡數(shù)量n=10時(shí)阻力系數(shù)最小.當(dāng)Ma=0.5，攻角為6°，且氣泡個(gè)數(shù)n=8時(shí)，致動彈丸的阻力系數(shù)最大.比較后可知：當(dāng)氣泡個(gè)數(shù)n=10時(shí)，整個(gè)彈丸的阻力系數(shù)最小.

圖6 不同氣泡個(gè)數(shù)下Ma=0.5時(shí)阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線

圖7 不同氣泡個(gè)數(shù)下Ma=1.0時(shí)阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線

圖8 不同氣泡個(gè)數(shù)下Ma=1.5時(shí)阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線

4 微氣泡對彈丸升力特性的影響

彈丸頭部擁有微氣泡陣列結(jié)構(gòu)，當(dāng)微致動器不工作時(shí)，彈丸外形無任何改變，但是當(dāng)微致動器開始工作時(shí)，彈體外形會發(fā)生不對稱性改變.彈丸受力的不對稱使彈丸產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力，如果這個(gè)側(cè)向力的方向是向上的，那么這個(gè)力就是升力.升力是影響彈丸飛行距離的重要參數(shù)之一.通過改變氣泡大小、個(gè)數(shù)來研究彈丸升力的變化，可了解不同結(jié)構(gòu)微氣泡陣列結(jié)構(gòu)彈丸的升力特性.

4.1 氣泡大小對升力系數(shù)Cl的影響

設(shè)微氣泡的個(gè)數(shù)n=8不變，微氣泡的直徑d=6、8、10(單位為mm)，馬赫數(shù)Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，可繪制微氣泡大小不同及相應(yīng)馬赫數(shù)下升力系數(shù)隨攻角的變化曲線(圖9).

圖9 氣泡大小不同及相應(yīng)馬赫數(shù)下升力系數(shù)隨攻角的變化曲線

由圖9可知：當(dāng)馬赫數(shù)一定時(shí)，各圖像中升力系數(shù)都是隨攻角的增大而增大的；當(dāng)攻角和馬赫數(shù)都一定時(shí)，彈丸的升力系數(shù)隨氣泡的直徑增大而增大，但是隨著馬赫數(shù)的變大，氣泡大小對彈丸升力系數(shù)的影響變小.比較后可知：當(dāng)氣泡直徑d=10 mm時(shí)，整個(gè)彈丸的升力系數(shù)最大.

4.2 氣泡個(gè)數(shù)對升力系數(shù)Cl的影響

設(shè)微氣泡直徑d=8 mm不變，氣泡個(gè)數(shù)n=6、8、10，馬赫數(shù)Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.根據(jù)Fluent仿真數(shù)據(jù)，可繪制氣泡個(gè)數(shù)不同及相應(yīng)馬赫數(shù)下升力系數(shù)隨攻角的變化曲線(圖10).

由圖10可知：升力系數(shù)隨攻角的增大而增大，且在馬赫數(shù)一定的情況下，n=10時(shí)升力系數(shù)為最大；當(dāng)馬赫數(shù)為0.5且攻角大于零時(shí)，氣泡個(gè)數(shù)對升力系數(shù)的影響是顯而易見的，即氣泡個(gè)數(shù)越多升力系數(shù)越大；當(dāng)馬赫數(shù)為1.0、1.5而攻角為0°時(shí)氣泡個(gè)數(shù)對升力系數(shù)基本沒有影響；當(dāng)攻角大于0°而氣泡個(gè)數(shù)由6增加到8時(shí)，對升力系數(shù)的影響明顯，但是由8增加到10時(shí)對升力系數(shù)幾乎沒有影響.比較后可知：當(dāng)氣泡個(gè)數(shù)n=10時(shí)，整個(gè)彈丸的升力系數(shù)最大.

圖10 氣泡個(gè)數(shù)不同及相應(yīng)馬赫數(shù)下升力系數(shù)隨攻角的變化曲線

5 結(jié) 論

本文針對某型彈體模型，應(yīng)用微氣泡技術(shù)得到以下結(jié)論：微氣泡凸起會改變彈丸表面的形態(tài)，從而改變彈丸表面的氣流狀態(tài)，擾亂流場，導(dǎo)致彈體表面的受力不均勻，在一定程度上可減小彈體所受的阻力，提高其飛行的升力.由阻力系數(shù)和升力系數(shù)曲線可知：當(dāng)氣泡個(gè)數(shù)n=8，氣泡直徑d=10 mm時(shí)升力系數(shù)最大，且其阻力系數(shù)相對適中；當(dāng)氣泡直徑d=8 mm，氣泡個(gè)數(shù)n=10時(shí)阻力系數(shù)最小，而且其升力系數(shù)最大.