反坦克智能雷流场与气动特性数值研究

王 妍,周春桂,王志军,赵春龙,陈军葵

(中北大学机电工程学院,太原 030051)



反坦克智能雷流场与气动特性数值研究

王 妍,周春桂,王志军,赵春龙,陈军葵

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

文中建立了反坦克智能雷的三维模型,应用计算流体动力学软件对智能雷进行数值仿真,分析了智能雷流场和气动参数。发现智能雷的阻力系数会随着迎角绝对值的增大而迅速增加,较大的偏航力系数将导致雷体翻转或者偏离原弹道,智能雷周围的流场变化很大,会使飞行处于不稳定状态。仿真结果会有助于智能雷稳定性分析和气动特性优化。

反坦克智能雷;流场;气动特性;数字仿真

0 引言

反坦克智能地雷,属于一种新型的灵巧制导弹药。首先布雷装置预先将智能雷投放到作战区域,当雷体上的扫描装置探测到坦克在识别区内行进时,发射装置就会将智能地雷抛出,使其一边扫描目标一边扑向坦克目标最为薄弱的部位。智能雷杀伤区域半径200 m左右,速度范围20～100 m/s[1]。

通常,在进行气动力特性研究时,智能雷可看作由本体和扫描器两构件固连在一起的刚体,药型罩和起爆装置位于智能雷头部。本体形状简化为圆柱形,扫描器简化为立方体。

反坦克智能雷技术的发展是国内外学者共同努力的结果。西方国家已研制出马扎克、XM-93等型号针对不同目标的武器系统。尹建平等从智能雷对目标毁伤效能角度对坦克目标进行易损性分析[2-3];张永生等根据目标速度以及目标与雷的距离确定了反坦克智能雷最佳作战时间和地点[4];常变红等通过仿真软件变化发射初始条件、雷体质量和壳体参数来讨论其对智能雷飞行过程的影响[5-6];刘纪东等评估了智能雷配合其他系统进行信息交换的作战效果[7]。尹建平等发现使用多爆炸成型弹丸战斗部技术可以更有效的击穿集群坦克或装甲车辆的顶部防护[8]。

而对于反坦克智能雷气动力参数和流场分析的研究较少。文中基于典型反坦克智能雷,建立雷体三维模型,为了得到智能雷在不同攻角时的流场与气动特性,探究攻角对智能雷飞行稳定性和气动力的影响,对雷体质心速度为45 m/s、70 m/s、100 m/s的三维智能雷流场进行数值模拟。

1 计算模型

1.1 几何模型

智能雷长细比一般很小,无曲线头部,头部为平头或钝头,雷体全部为圆柱体。本次仿真中智能雷本体简化为短圆柱,长径比为0.8,扫描器简化为立方体边长为智能雷直径的0.053,如图1所示。

图1 仿真使用的智能雷外形图

1.2 三维区域

确定三维区域是为了确定空气流场的计算域,本次计算域：长(x)为25倍弹径,宽(y)为20倍弹高,高(z)为20倍弹径的立方体,在计算域中部布置智能雷模型。采用非结构网格,数量193万。为了使得在相同计算量时的计算更符合实际,对模型表面进行了边界层控制,边界层厚度是0.1 mm。雷体表面网格见图2。

图2 雷体局部网格示意图

网格质量报告如图3所示。

图3 网格质量图

1.3 求解方法

空气动力学中一般将Ma小于0.3的流动称作不可压缩流动,因此求解器采用适用于低速绕流的压力基求解器,离散方法为有限容积法,湍流模型采用Spalart-Allmaras,这是一种适合飞行器绕流模拟的模型。Viscos ity方程的差分格式选择导弹外流场仿真常用的Second Order Upwind[9]。

2 仿真结果

2.1 参数设置

1)计算模型的参考长度L=0.015 m(圆柱高),参考面积S参=0.002 565 m2(轴向对称面截面积),压强P=101 325 Pa;

2)壁面(WALL)条件为默认值,边界条件入口选定速度入口,出口选定压力出口;

3)不设置各方程的残差收敛标准,如果气动力收敛则可认为结果收敛;

4)智能雷无旋转速度。

2.2 气动力结果与分析

计算了来流速度为45 m/s,70 m/s,100 m/s,攻角α=-30°～30°时的流场和气动力参数。

图4(a)是阻力系数随攻角变化曲线。从图中看出来流速度是定值时,阻力系数的曲线形状近似余弦曲线。由于攻角绝对值越大,本体和扫描器两部分迎风面积也越大,因此空气阻力的大小随着攻角绝对值增大而迅速增大。不同来流速度阻力系数值在攻角是一定时相差不大。

图4(b)、图4(c)是升力系数和俯仰力矩系数随攻角的变化规律,智能雷在空中飞行时产生的升力很小,不同来流速度升力系数值没有较大的变动。

图4(d)是侧向力系数随攻角的变化规律,侧力值较大,会使智能雷飞行过程中产生侧偏。不同速度的侧向力呈现的规律相同,差值很小。

2.3 流场分析

图5(a)～图5(c)分别为v=70 m/s时,α=-10°～10°,攻角平面流场的等压线图。

在α=0°时,在智能雷左侧吹风,迎风面形成高压区,气流绕流雷体后,产生膨胀,在智能雷头部和尾部形成低压区。攻角增大后,迎风面的高压区范围缩小,并向雷体头部方向移动,而雷体尾部低压区范围扩大并与右侧背风面低压区融为一体,头部低压区向左侧移动。这一现象会使智能雷有纵向抬头趋势。攻角减小时,左侧迎风面高压区向智能雷尾部移动,尾部低压区向左侧移动,会使智能雷有纵向低头趋势。头部低压区逐渐扩大与右侧背风面低压区融为一体。雷体周围压力剧烈的变化将会使智能雷飞行稳定性变差,尤其当智能雷飞行速度增大时。

图4 计算的气动力系数

图5 v=70 m/s不同攻角下攻角平面压力图

4 结论

文中探讨了攻角变化角度对反坦克智能雷气动特性的影响,数值计算结果一定程度上反映了智能雷的空气动力特性,可以为进一步改进和优化智能雷稳态扫描平台提供依据和参考。智能雷动态特性与静态有差异,有必要进行更为系统的风洞实验,结合数值模拟方法研究反坦克智能雷的气动特性。

[1] 尹建平, 王志军. 弹药学 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2012.

[2] 尹建平, 王志军. MEFP智能雷攻击坦克顶甲的毁伤模型 [J]. 弹箭与制导学报, 2002, 22(2): 137-139.

[3] 尹建平, 王志军. MEFP智能雷攻击坦克顶甲的两种毁伤模型对比分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2004, 24(1): 49-51.

[4] 张永生, 马小青, 林永生. 反坦克智能雷武器系统最佳射击点分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2004, 24(4): 33-35.

[5] 常变红, 尹建平, 王志军. 雷体质量对智能雷扫描轨迹的影响 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(4): 150-153.

[6] 常变红, 尹建平, 王志军. 雷壳体参数的正交优化设计 [J]. 中北大学学报, 2009, 30(5): 425-429.

[7] 刘纪东, 王志军. 反坦克智能雷场作战效能分析的排队论模型 [J]. 华北工学院学报, 2005, 26(2): 111-114.

[8] 尹建平, 王志军. 智能雷爆炸成型弹丸战斗部研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2005.25(3): 49-50.

[9] 于勇. FLUENT入门与进阶教程 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2011.

[10] 李婧伟, 吴国东, 王志军, 等. 伞形阻力器一维弹道修正弹气动特性分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2014, 34(6): 123-126.

[11] 魏波, 吴国东, 王志军, 等. 新型一维弹道修正机构的设计 [J]. 弹箭与制导学报, 2014, 34(6): 79-82.

[12] 徐永杰, 吴国东, 刘强, 等. 增阻式一维弹道修正弹气动分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2013, 33(6): 133-136.

Numerical Research on Flow Flied and Aerodynamic Characteristics ofAnti-tank Intelligent Mines

WANG Yan,ZHOU Chungui,WANG Zhijun,ZHAO Chunlong,CHEN Junkui

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

A three-dimensional model of anti-tank intelligent mine was established. Computational fluid dynamic software was applied in numerical simulation on flow flied and aerodynamic characteristics of intelligent mines. Results show that drag coefficient of the intelligent mine will increase rapidly with increase of absolute value of angle of attack, large yawing force coefficient will make mine body flip or deviate from original trajectory, the flow field of intelligent mine changes a lot, which can make the flight be in unsteady state. The simulations results can provide help for stability analysis and aerodynamic characteristics optimization of intelligent mine.

anti-tank intelligent mines; flow flied; aerodynamic characteristics; digital simulation

2015-04-15

王妍(1990-),女,山西吕梁人,硕士研究生,研究方向:火炮、自动武器与弹药工程。

TJ011.2;TJ412.3

A