超聲速流場(chǎng)中子母彈囊式拋撒數(shù)值分析

田霖 郭光全 杜云鵬 唐宏 方周旭東

摘?要：為研究超聲速下子母彈囊式拋撒分離流場(chǎng)和子彈的分離運(yùn)動(dòng)特性，采用非結(jié)構(gòu)自適應(yīng)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，同時(shí)建立6自由度剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程與動(dòng)力學(xué)方程。將6自由度剛體運(yùn)動(dòng)與計(jì)算流體力學(xué)耦合，數(shù)值仿真計(jì)算子彈通過(guò)囊式拋撒與母彈分離后到運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并分析拋撒后形成的母彈彈槽對(duì)剛分離出去的子彈氣動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響。結(jié)果表明：子彈以一定的分離姿態(tài)角拋撒時(shí)，拋撒分離速度越大，子彈穿越母彈激波的響應(yīng)過(guò)程越快，子彈分離效率越高，子彈與母彈之間越能夠安全快速地分離。

關(guān)鍵詞：子母彈；囊式拋撒；數(shù)值模擬；姿態(tài)運(yùn)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ011??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

子母彈武器系統(tǒng)因其作戰(zhàn)范圍廣，毀傷效率高以及打擊縱深大面積多目標(biāo)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。為了最大程度發(fā)揮子母戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)效能，拋撒分離技術(shù)成為子母彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。在眾多子母彈拋撒技術(shù)中，囊式拋撒技術(shù)因其結(jié)構(gòu)緊湊、過(guò)載小、通用性強(qiáng)和子彈出艙姿態(tài)可控等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，是較為理想的子母彈拋撒結(jié)構(gòu)［1］。為了保證子彈能夠正常安全分離且達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的散布效果，需要對(duì)子母彈囊式分離流場(chǎng)進(jìn)行分析，研究子彈分離運(yùn)動(dòng)特性。對(duì)于子母彈分離流場(chǎng)相關(guān)的研究，常用的研究手段有風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬。風(fēng)洞試驗(yàn)雖然可以直接有效地對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行測(cè)試并捕捉分離體飛行軌跡［23］，但是高馬赫、高機(jī)動(dòng)飛行的非定常條件對(duì)試驗(yàn)研究中的試驗(yàn)設(shè)備提出了越來(lái)越高的要求，使得試驗(yàn)手段研究子母彈分離問(wèn)題相對(duì)比較困難，且費(fèi)用高昂，周期長(zhǎng)。與試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬成本低，周期短，可以對(duì)子母彈的分離流場(chǎng)以及子彈—子彈、子彈—母彈的氣動(dòng)干擾特性進(jìn)行全面的求解。鄒德坤等［4］利用CFX軟件模擬并分析了子彈在不同馬赫數(shù)、不同攻角下的氣動(dòng)特性。郭正［5］采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)高超聲速下的飛行器助推器分離過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。張曼曼等［6］采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)和有限體積法模擬了超聲速下子母彈分離過(guò)程。王金龍［1］采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)囊式拋撒方式下子彈分離的非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了分離姿態(tài)角和拋撒分離速度對(duì)子彈藥分離氣動(dòng)特性、拋撒安全性的影響。

本文采用非結(jié)構(gòu)自適應(yīng)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，基于UDF自定義函數(shù)耦合求解6DOF剛體動(dòng)力學(xué)方程和流體控制方程，數(shù)值模擬了超聲速流場(chǎng)囊式子母彈的非定常分離過(guò)程，研究了初始分離時(shí)子彈拋撒速度和母彈飛行攻角對(duì)子彈分離運(yùn)動(dòng)特性的影響，為相關(guān)囊式子母彈安全分離的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1?數(shù)值模擬方法

1.1?流場(chǎng)求解

三維非定?？蓧嚎sNS方程，其積分形式表達(dá)式如下：

t∫ΩQdV+∫SF（Q）×ndS=∫SH（Q）×ndS（1）

式中：Ω為控制體體積；Q為守恒變量，F(xiàn)（Q）為對(duì)流項(xiàng)，H（Q）為黏性通量；S為控制體表面積；n為控制體邊界外法向單位向量；dV為體積微元；dS為面積微元。

本文使用的是Fluent18.0，采用SA湍流模型。該模型只考慮了求解難度系數(shù)較小的RANS模型。SA模型的出現(xiàn)使得對(duì)近壁區(qū)的渦黏性求解變得更加方便。該模型可以更好地預(yù)測(cè)Ma≥1.2時(shí)邊界層流動(dòng)的中度分離現(xiàn)象，其數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高［7］。

1.2?子母彈運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)于研究子母彈相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，需要將流體控制方程和剛體動(dòng)力學(xué)方程放在一起求解，子彈分離后的運(yùn)動(dòng)特性受慣性力和氣動(dòng)力影響，而氣動(dòng)力的大小和其壓力中心需要通過(guò)流場(chǎng)求解來(lái)得到。子彈的運(yùn)動(dòng)方程組包括質(zhì)心運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程、繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程、姿態(tài)角角速度方程組［8］。

質(zhì)心運(yùn)動(dòng)：mdVdt=F（2）

式中：m為子彈質(zhì)量，V為子彈質(zhì)心的速度，F(xiàn)為作用于子彈的外力。由式（2）可求得子彈質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度和加速度，進(jìn)而通過(guò)積分求解得到子彈質(zhì)心位移。

彈體繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)：dHdt=δHδt+ω×H（3）

式中：H為子彈對(duì)質(zhì)心的動(dòng)量矩，ω為彈體相對(duì)于地面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

彈體平移運(yùn)動(dòng)：dDdt=V（4）

式中：D為子彈相對(duì)于地面坐標(biāo)系的位移矢量。

彈體轉(zhuǎn)動(dòng)：ω=ψ·+·+γ·（5）

式中：ψ·、·、γ·為彈體繞彈體坐標(biāo)系的俯仰角速度、偏航角速度、滾轉(zhuǎn)角速度。

2?子母彈分離過(guò)程數(shù)值模擬

本文計(jì)算模型為母彈和環(huán)向均勻分布的4枚子彈裝配，由于本文主要研究子彈相對(duì)于母彈的徑向分離運(yùn)動(dòng)特性，因此可以忽略子彈體之間的氣動(dòng)干擾作用，且為了提高計(jì)算效率，本文選取局部外形進(jìn)行數(shù)值模擬。因采用囊式拋撒技術(shù)，初始時(shí)認(rèn)為子彈與母彈有一個(gè)氣囊膨脹高度的間隔，其間隔距離為h=0.15m，忽略氣囊引起的氣動(dòng)干擾影響。計(jì)算模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于子彈彈頂中心原點(diǎn)，坐標(biāo)系如圖1中所示。子彈分離姿態(tài)角α為3°，拋撒分離速度V0分別為10m/s、15m/s、20m/s，來(lái)流馬赫數(shù)為2.05Ma，對(duì)應(yīng)分離時(shí)飛行速度為700m/s，詳細(xì)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

拋撒分離過(guò)程中，子彈拋撒分離速度對(duì)于子彈與母彈間有效徑向分離位移的建立及分離效率具有重要的影響。本文選取初始分離姿態(tài)角α=3°，對(duì)拋撒分離速度V0為10m/s、15m/s、20m/s的分離過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析拋撒分離速度對(duì)分離流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性的影響。

2.1?干擾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖2、圖3和圖4分別為α=3°，V0=10m/s、15m/s和20m/s條件下子母彈分離過(guò)程壓力分布云圖。由云圖可以直觀地看出，拋撒分離速度的增加加快了子彈的分離運(yùn)動(dòng)：在50ms時(shí)，V0=10m/s條件下子彈距母彈最近，隨著拋撒分離速度的增大子彈越遠(yuǎn)離母彈；V0=10m/s和V0=15m/s條件下，子彈在50ms范圍內(nèi)未能擺脫母彈激波的影響，一直在激波干擾區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而V0=20m/s條件下，子彈則到達(dá)了激波區(qū)邊緣。通過(guò)對(duì)子彈分離過(guò)程的數(shù)值仿真計(jì)算和對(duì)比分析可知：對(duì)于子彈而言，初始分離速度的大小對(duì)子彈分離效率和分離姿態(tài)穩(wěn)定性具有較大的影響。初始分離速度越大，子彈就能越快擺脫母彈的激波影響，越穩(wěn)定的流場(chǎng)特性使得子彈分離姿態(tài)越穩(wěn)定，更不易發(fā)生失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)。

2.2?子彈動(dòng)力學(xué)特性分析

圖5反映了在3種拋撒分離速度下子彈質(zhì)心分別沿X軸和Y軸的移動(dòng)情況。通過(guò)對(duì)比相等X位移時(shí)的Y軸位移量，可以判斷出拋撒分離速度與子彈分離效率的關(guān)系。從圖中可以看出，V0=20m/s時(shí)子彈Y軸位移量是最大的，其次為V0=15m/s和10m/s。初始分離速度較小時(shí)，子彈長(zhǎng)時(shí)間處于母彈的激波影響下，相對(duì)于母彈的X方向移動(dòng)量較大，而沿Y軸徑向分離方向的移動(dòng)較為緩慢。該現(xiàn)象說(shuō)明，拋撒分離速度越大，子彈沿Y方向的徑向分離效率越高。

圖6反映了在3種拋撒分離速度下子彈的姿態(tài)角變化情況，計(jì)算結(jié)果清晰地反映了拋撒分離速度對(duì)子彈運(yùn)動(dòng)軌跡與分離特性的影響。從圖中可以看出，初始分離速度越大，子彈的姿態(tài)角變化幅度越小。結(jié)合對(duì)子彈質(zhì)心位移情況的分析可知：子彈初始分離速度較小時(shí)，母彈激波對(duì)子彈的干擾就越劇烈，干擾影響的時(shí)間也越長(zhǎng)，則子彈的氣動(dòng)壓心就更容易發(fā)生變化，外在表現(xiàn)為姿態(tài)角變化幅度增大，更嚴(yán)重時(shí)子彈會(huì)有失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5?子彈質(zhì)心位移曲線(xiàn)

圖6?子彈姿態(tài)角變化曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)子彈分離運(yùn)動(dòng)特性的分析，可知通過(guò)提高子彈出艙時(shí)的拋撒分離速度可以顯著提高子彈的分離效率和分離姿態(tài)的穩(wěn)定性。

3?結(jié)論

本文以子彈的拋撒分離速度為特征參數(shù)，對(duì)囊式拋撒下子母彈非定常氣動(dòng)分離過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，主要結(jié)論如下。

（1）通過(guò)開(kāi)艙拋撒將子彈與母彈分離后，母彈表面形成的凹槽使得母彈的氣動(dòng)外形發(fā)生劇烈變化，其變化對(duì)子彈的分離流場(chǎng)特性的影響是較為顯著的。子彈分離越快，母彈激波對(duì)子彈的干擾作用就會(huì)越弱，其表現(xiàn)為：子彈拋撒分離速度越大，分離效率越高，姿態(tài)角變化幅度越小，子彈姿態(tài)越穩(wěn)定。

（2）拋撒分離速度是保證子彈有效分離的關(guān)鍵因素。在一定分離姿態(tài)角下，拋撒分離速度越大，子彈的分離效率越高，子彈受母彈激波干擾越小，其分離姿態(tài)越穩(wěn)定。

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作者簡(jiǎn)介：田霖（1991—?），女，漢族，河南臨潁縣人，碩士研究生，研究方向：飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算。