集束穿甲弹气动力计算*

张文锐,沈培辉

(南京理工大学机械工程学院,南京 210094)

0 引言

穿甲弹是低空超低空防御很有效的工具,但是当目标几何尺寸小飞行速度高时,直接命中的概率显著降低,因此使用集束穿甲弹来提高命中率[1]。本集束弹为尾翼稳定脱壳穿甲弹,其包括3个弹芯外包3个卡瓣,在弹芯之间用内弹托起支撑作用,在脱壳时其弹芯受到的弹托的径向拉力不在像弹芯脱壳穿甲弹那样均匀,容易引起弹芯飞行方向的偏离,因此需要通过调节前腔尺寸改变其气动力来调节弹芯受力。

1 几何模型的描述

文中以35mm弹为研究对象,分为有尾翼和无尾翼两种情况,无尾翼弹采用二分之一模型,以节省计算量,在此基础上,模型2前腔轴向加长3mm,模型3前腔加长6mm如图4。计算域为一半径3000mm的圆球,由于弹的尾流作用把弹放在圆球中间偏向前面,弹的结构较复杂使用四面体网格来划分,图 1～图 3分别为弹的结构图与表面网格划分图。

图4 模型 1、2、3

2 数学模型的描述

在弹前腔与弹带处易形成涡流,故采用k-ε湍流模型。连续性方程为:

运动方程为:

k-ε两方程湍流模型为:

式中:Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能;cle、c2e、cμ为模型常数 ;σk、σε是 k-ε方程的湍流能量普朗特常数 。取 c1e=1.44、c2e=1.92、cμ =0.09、σk=1.0、σε =0.3。

3 边界条件设置

1)选择标准k-ε湍流模型,使用能量方程;

2)设置流体材料属性,材料设为air,密度为ideal-gas,粘度选择 suther-land。气体粘度的 sutherland定律非常适合高速可压缩流动;

3)壁面条件采用无滑移条件,使用压力远场边界条件;

4)收敛准则设置阻力系数与升力系数监视器[2]。

4 计算结果与分析

图5分别为尾翼弹和无尾翼弹在0.6Ma下的速度梯度分布图。

由于尾翼尺寸相对较小并未在其周围形成强烈扰流,对流场的影响很小,由图中可知气流最大速度分别为247m/s和252m/s相差很小,且两个流场的分布基本一致,所以可以考虑用无尾翼的弹来代替尾翼弹来减小计算量。

图6为弹在0.6,1,2,3,4马赫数下的阻力系数分布图。

在0,1之间随着马赫数的增大,阻力系数变大,当马赫数达到临界马赫数时,弹头开始出现激波,阻力系数急剧增大,在1到2Ma时达到最大值,当马赫数增大到一定数值时头部激波变成附体激波,气流经激波的压缩程度相对减弱,所以阻力系数开始下降[3-4]。图 6变化趋势合理可以用此方法对弹进行气动力分析。

图7分别为0.6,1,2Ma下模型1的弹头部分气动力分布。

由图7可知随着速度的增加,前腔的受力明显增加,同时在1Ma时在三个弹芯之间的空气被强烈压缩开始出现压力集中现象,随着中心压缩空气的向外流动,在相邻两个弹芯之间的压力也随之提高,在三个弹芯之间出现的向外的压力集中现象有利于弹芯与内弹托的分离。

图7 模型1弹头部在0.6～2Ma的压力分布

图8 分别为模型1,2,3在4Ma下前腔的压力分布图,图9为各模型前腔压力随轴向分布。由图中可知,模型1的压力在0.077m之前维持在高位随后急速下降。随着前腔尺寸的变大,模型2,3压力从最高值开始下降很快到某一值以后下降幅度减弱,然后又开始急速下降到最低值。三个模型最大压力分别为2.46MPa, 2.46MPa,2.44MPa出现在三个弹芯之间,随着气流向外扩散压力值变小。由图可知增大了前腔尺寸虽然前腔的压力减小了,但是面积增大了总的受力还是增大的,所以可以通过改变前腔的尺寸来调节前腔的受力状态、调节其脱壳姿态。

图8 各模型在4ma下前腔压力分布

图9 各模型前腔压力轴向分布

5 结论

新型集束穿甲弹可以提高射击命中概率,但是其脱壳存在一些待解决问题。文中使用Fluent软件对其气动力进行了仿真。进一步讨论了穿甲弹在出炮口状态的前腔所受压力分布,发现在三弹芯之间出现压力集中,两弹芯之间由于中心气流的外泄压力比别的地方稍高,前腔的压力在腔的内部最大,随着气流的外泄在腔的最外部压力最小。

[1] 李向东,钱建平,曹兵.等.弹药概论[M].北京:国防工业出版社,2004.

[2] 于勇.Fluent入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社,2008.

[3] 浦发,芮莜亭.外弹道学[M].北京:国防工业出版社,1980.

[4] 沈仲书,刘亚飞.弹丸空气动力学[M].北京:国防工业出版社,1983.