翼片结构参数对单翼末敏弹气动特性的影响

蒋 涛,郭 锐,刘荣忠

(1 南京理工大学机械工程学院,南京 210094;2 智能弹药技术国防重点实验室,南京 210094;3 73667部队,江苏句容 212400)

翼片结构参数对单翼末敏弹气动特性的影响

蒋 涛1,2,3,郭 锐1,2,刘荣忠1,2

(1 南京理工大学机械工程学院,南京 210094;2 智能弹药技术国防重点实验室,南京 210094;3 73667部队,江苏句容 212400)

为了研究单翼末敏弹气动布局对其气动特性的影响规律,基于Fluent软件,详细研究了翼片长度、翼片宽度、翼端重物质量和翼片转角等参数对单翼末敏弹阻力系数、导转力矩系数和俯仰力矩系数的影响规律。结果表明,气动参数随翼片长度和宽度增大呈现线性增大趋势;翼端重物质量对气动参数影响微弱;翼片转角对气动参数影响较大,气动参数呈现抛物线形变化。

单翼末敏弹;气动特性;翼片结构;Ansys Fluent

0 引言

在20世纪70年代,受枫树种子稳定下落运动的启发,国外学者提出了一种翅果模型(Samara type)[1],从而展开了对无伞末敏弹气动特性的探索研究。单翼末敏子弹以其强非对称性的气动力结构形成的稳态扫描较之有伞末敏子弹具备落速更快、扫描频率更高、扫描间距更为密集的优点。

Yasuda K,Greene D F,Guries R P,Sipe T W[2-5]等人的相关研究为无伞末敏弹的运动特性和稳定性研究打下了基础。舒敬荣[6-7]、张伟剑[8]研究了强非对称所产生的旋转共振运动来实现稳态扫描机理和翼片刚性与柔性、惯性主轴和弹轴夹角和翼片安装角对于单翼末敏弹气动参数的影响规律。

综上所述,国内外学者对于单翼末敏弹建立了较为完善的运动学理论模型,但对于气动特性变化规律的研究尚不完善,因此,文中选取翼片长度、翼片宽度、翼端重物质量和翼片转角4个结构参数研究其结构参数变化对于气动参数的影响规律,为单翼末敏弹的总体设计和工程研制提供一定参考。

1 仿真模型

如图1所示,流场在弹径方向取15倍弹径长度,弹轴方向取15倍弹轴长度。通过改变其翼片长度l、翼片宽度w、翼端重物质量m和翼片转角(翼片与水平面的夹角)的数值,研究气动参数的变化规律。其中,圆柱部弹体直径均为Φ120 mm,高度为86 mm,翼片厚度均为1 mm,翼片安装角均为30°。

由于空气粘性附面层的影响,在弹体壁面划有5层边界层网格。整个计算域采用非结构法网格,其特点是网格自适应性强,能够较好的填充不规则几何体,反映气流绕过弹体表面及翼片后流场变化的情况,弹体表面及边界层网格划分如图2所示。

图1 三维计算模型

图2 弹体表面及边界层网格

2 控制方程

控制方程采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程[9]:

式中:

而H、v、E、p、τ、h、q和ρ分别为源项、速度、单位质量的总能、流体压力、粘性应力张量、比焓、热流通量和密度。

湍流模型采用标准k-ε模型[9-10],此模型通过求解湍流动能k方程和湍流耗散率ε方程,得到k和ε的解,再计算湍流粘度,最终得到雷诺应力的解。在Fluent求解器中作如下计算设置[11]:

1)设置流体材料为理想空气,流动模式采用定常流动。

2)壁面设为无滑移边界条件,进口边界条件设置为inlet,出口边界条件设为outflow,弹体表面和流体域边界条件设置为wall。

3)参考面积为末敏弹圆柱弹体的横截面积,参考长度为圆柱弹体的母线长度。

4)连续方程、能量方程、湍流模型方程和动量方程的收敛精度设置为小于0.000 01。

5)为提高运算效率,未设置弹体内部的固体域,所得到的计算结果为空气动力作用在弹体表面的力和力矩。

6)假设翼片为刚性。

3 仿真结果与分析

3.1 翼片长度对气动参数特性的影响

为研究翼片长度对于单翼末敏弹气动参数的影响规律,分别取翼片长度为150 mm、170 mm、190 mm、210 mm、230 mm进行仿真计算,翼片宽度均为76 mm,翼端重物质量为370 g,翼片转角为25°,来流速度为40 m/s,攻角为30°。

图3 气动参数随翼片长度的变化规律

由图3(a)可知,阻力系数在2.6与3.3之间达到了一定的增阻效果,由于翼片长度变大,其翼片迎风面积也随之增大,阻力系数呈现出线性递增趋势。在不同的来流速度工况下,阻力系数变化很小。由图3(b)可知,导转力矩系数为负值,与设计方向一致。其数值随翼片长度变化也呈现线性递增趋势,且与来流速度大小无关。说明翼片增长,作用在翼片上的空气动力变大,故使其导转力矩增大。由图3(c)可知,俯仰力矩系数随翼片长度和来流速度变化都不大,可忽略其长度变化的影响。

3.2 翼片宽度对气动参数特性的影响

为研究翼片宽度对于单翼末敏弹气动参数的影响规律,分别取翼片宽度为60 mm、68 mm、76 mm、84 mm、92 mm进行仿真计算,翼片长度均为170 mm,翼端重物质量为370 g,翼片转角为25°,来流速度为40 m/s,攻角为30°。

图4 气动参数随翼片宽度的变化规律

如图4(a)、图4(b)所示,其气动参数随翼片宽度的变化规律和随翼片长度的变化规律相似,阻力系数和导转力矩系数呈线性递增趋势;如图4(c)所示,在10 m/s的来流工况下,俯仰力矩系数呈波动趋势,在其余工况下,俯仰力矩系数呈略微下降趋势,但其变化不大,最大值与最小值相差数值不大。

3.3 翼端重物质量对气动参数特性的影响分析

为研究翼端重物对于单翼末敏弹气动参数的影响规律,分别取重物质量为310 g、340 g、370 g、400 g、430 g进行仿真计算,翼片尺寸均为190 mm×76 mm,翼片转角为25°,来流速度为40 m/s,攻角为30°。

图5 气动参数随翼端重物质量的变化规律

如图5(a)所示,阻力系数随翼端重物质量增加呈略微增大趋势,最大值与最小值相差小于3%,即可认为翼端重物质量不影响单翼末敏弹的阻力系数。如图5(b)所示,在来流速度为40 m/s的工况下,导转力矩系数呈轻微波动趋势,在其余工况下,导转力矩系数数值大小呈轻微增长趋势,最大值与最小值相差2.5%,即可认为翼端重物质量不影响单翼末敏弹的导转力矩系数。如图5(c)所示,在来流速度为40 m/s的工况下,俯仰力矩系数呈现较为平缓的直线,在其余工况下,俯仰力矩系数数值先增大,后趋于平缓。

3.4 翼片转角对气动参数特性的影响

为研究翼片转角对于单翼末敏弹气动参数的影响规律,分别取翼片转角为5°、15°、25°、35°、45°进行仿真计算,翼片尺寸均为190 mm×76 mm,翼端重物质量为370 g,来流速度为40 m/s,攻角为30°。

图6 气动参数随翼片转角的变化规律

如图6(a)所示,阻力系数随来流速度变化并不明显,随翼片转角增加呈抛物线型递减趋势;如图6(b)所示,导转力矩系数的变化规律与阻力系数相似,但其数值随翼片转角增大呈抛物线递增;如图6(c)所示,在10 m/s、20 m/s的来流速度工况下,俯仰力矩系数数值先增大后减小,在其余工况下,呈线性增大趋势,且来流速度变化对俯仰力矩系数影响不大,在翼片转角为45°时,俯仰力矩系数达到0.12,说明此时该气动布局结构的纵向稳定性较差,有较大概率翻转。

4 结论

1)在来流速度为10～70 m/s的范围内,其对单翼末敏弹的阻力系数和导转力矩系数影响不大,对俯仰力矩系数有轻微影响。

2)阻力系数和导转力矩系数随翼片长度、宽度的变化呈线性递增趋势,影响幅度较大,但俯仰力矩系数变化幅度较小。

3)翼端重物质量对气动参数的影响并不明显,可认为气动参数与翼端重物质量无关。

4)翼片转角对单翼末敏弹气动参数影响较大,阻力系数和导转力矩系数呈抛物线型变化,对俯仰力矩系数的变化原因机理和稳定飞行判据还需要进一步研究。

[1] 杨绍卿. 武器装备的新宠——智能弹药 [J]. 科技导报, 2012, 30(16): 3.

[2] YASUDA K, AZUMA A. The autorotation boundary in the flight of samaras [J]. Journal of Theoretical Biology, 1997, 185(3): 313-320.

[3] GREENE D F, JOHNSON E A. The dispersal of winged fruits and seeds differing in autorotative behaviour [J]. Canadian Journal of Botany, 1990, 68(12): 2693-2697.

[4] GURIES R P, NORDHEIM E V. Notes: flight characteristics and dispersal potential of maple samaras [J]. Forest Science, 1984, 30(2): 434-440.

[5] SIPE T W, LINNEROOTH A R. Intraspecific variation in samara morphology and flight behavior in Acer saccharinum (Aceraceae) [J]. American Journal of Botany, 1995, 82(11): 1412-1419.

[6] 舒敬荣, 蒋胜平, 李明军, 等. 无伞双翼末敏弹稳态扫描段受力分析 [J]. 弹道学报, 2010, 22(2): 48-51.

[7] 舒敬荣, 杨玉林, 张婷, 等. 无伞末敏弹大攻角扫描运动稳定性分析 [J]. 航空学报, 2015, 36(10): 3411-3417.

[8] 张伟剑. 单翼无伞末敏弹气动特性和稳定性分析 [D]. 南京: 南京理工大学, 2015.

[9] 吕胜涛, 刘荣忠, 郭锐, 等. SC型双翼末敏弹尾翼结构方案设计 [J]. 弹道学报, 2014, 26(2): 6-11.

[10] 胡志鹏, 刘荣忠, 郭锐. 两种典型尾翼形状对无伞末敏弹气动特性的影响 [J]. 南京理工大学学报, 2012, 36(5): 739-744.

[11] 吕胜涛, 刘荣忠, 郭锐, 等. S-S双翼末敏弹气动外形优化设计 [J]. 兵工学报, 2013, 34(9): 1150-1154.

Research on the Influence of Wing Structure Parameters on Aerodynamic Characteristics of Single-blade Terminal-sensitive Projectile

JIANG Tao1,2,3,GUO Rui1,2,LIU Rongzhong1,2

(1 School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2 Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing 210094, China; 3 No.73667 Unit, Jiangsu Jurong 212400, China)

In order to research the influence law of the single-blade terminal-sensitive projectile on its aerodynamic characteristics, based on commercial software Ansys Fluent, the influence law of wing’s length, width, tip mass and rotating angle on drag coeffiecient, rotating moment coeffiecient and pitching moment coeffiecient was studied in detail. The results showed that the aerodynamic parameters increased linearly with the increase of wing length and width. Wing’s tip mass slightly affected on aerodynamic parameters, while the wing’s rotating angle strongly affected on aerodynamic parameters which presented parabolic variation.

single-blade terminal-sensitive projectile; aerodynamic characteristics; wing structure; Ansys Fluent

2016-03-21

国家自然科学基金(11372136)资助

蒋涛(1989-),男,江苏南京人,硕士研究生,研究方向:灵巧弹药。

TJ413

A