次口径脱壳飞行体气动特性的数值模拟研究

张嘉易，刘苗苗，邵 盼，郝永平

(沈阳理工大学 机械工程学院， 沈阳 110159)

【装备理论与装备技术】

次口径脱壳飞行体气动特性的数值模拟研究

张嘉易，刘苗苗，邵 盼，郝永平

(沈阳理工大学 机械工程学院， 沈阳 110159)

设计了某次口径脱壳飞行体的三维模型，根据流体力学知识，对弹丸和卡瓣的气动布局分别进行了仿真模拟，得到了两者的主要空气动力参数，以及不同马赫数下弹丸和卡瓣的气动特性与周围流场的变化情况。

仿真模拟；气动布局；气动特性

现在普遍使用的穿甲弹是第三代—长杆式尾翼稳定脱壳弹，这种弹具有动能较大，穿透力强，后效作用好，精度高等优点[1]。脱壳飞行体结构的优化设计[2-4]、气动力特性[5-7]是脱壳弹研发的热点，本文根据空气动力学原理对某次口径脱壳飞行体的气动特性进行了分析研究，对提高脱壳飞行体的性能具有重大意义。这些研究也将为脱壳飞行体的后续设计提供重要依据。

1 次口径脱壳飞行体的气动布局

1.1 弹丸和卡瓣的网格划分

使用Pro/E三维建模软件建立某型号的脱壳飞行体和卡瓣的三维实体模型[8-9]，如图1、图2所示。

用GAMBIT对弹丸和卡瓣的流场进行非结构网格的划分，外流场设置成具有较大的长径比的圆柱体。外流场长度为14倍的弹径，外流场前端距离弹头顶部为6倍弹径，外流场后端距离弹尾为5倍弹径，如图3所示。卡瓣外流场的半径为卡瓣最大半径的9倍，前端距离卡瓣迎风槽顶部为4倍的卡瓣长度，后端距离卡瓣底部的距离为3倍的卡瓣长度，如图4所示。在对计算域进行划分网格时，靠近弹丸的部位网格要足够密。在网格计算之前先把计算域进行分块处理，然后进行网格划分，这样就解决了网格数量太多造成计算机资源不足，计算速度缓慢等问题[10]。在划分网格时越靠近弹丸部分网格越密，越远离弹丸的部分网格划分越稀疏，弹丸的头部进行加密处理。这样缩短了计算时间，提高了计算精度和计算效率。

然后设定划分好的网格模型的边界类型，对mesh文件导入yi=yi(t)(i=1,2,…,n)，运用yi=yi(t)(i=1,2,…,n)求解器进行求解计算，再对计算得到的空气动力参数进行后处理。

1.2 弹丸和卡瓣的仿真策略

为了得到较真实的脱壳飞行体的气动特性，以及在后续的动力学计算时能得到较全面的弹道参数，通过仿真获得不同高度、攻角、马赫数下脱壳飞行体弹丸和卡瓣的阻力、阻力系数、升力、升力系数和翻转力矩。为动力学仿真提供依据。

2 气动计算结果与分析

2.1 弹丸的气动计算结果与分析

1) 弹丸阻力系数随攻角的变化

阻力特性的研究在脱壳弹设计中有着重要的地位，图5(a)为弹丸阻力系数随攻角和马赫数变化曲线，攻角的大小对阻力系数几乎没有影响。

2) 弹丸升力系数随攻角的变化

升力直接影响脱壳弹的飞行品质，从图5(b)弹丸的升力系数与攻角的关系可知，当马赫数一定时，随着攻角的增加，升力系数与攻角呈线性关系递增。当攻角一定时1.0Ma的升力系数最大。

3) 弹丸翻转力矩系数随攻角的变化

脱壳弹在有攻角的情况下产生翻转力矩，在该力矩的作用下，弹丸产生翻转的趋势。翻转力矩过大将影响巡飞弹的飞行稳定性。对不同工况的数值模拟结果得出图5(c)翻转力矩随马赫数和攻角的变化规律。当马赫数一定时，翻转力矩与攻角基本呈线性增大的趋势。马赫数越小，翻转力矩随攻角的变化量越大，当马赫数为0.5时变化最明显。

2.2 卡瓣的气动计算结果与分析

1) 卡瓣阻力系数随攻角的变化

由图6(a)卡瓣阻力系数随马赫数和攻角变化的曲线，大多数情况下阻力系数随着攻角的增大而略微增大，1.0Ma时阻力系数的增大最明显。当马赫数增大时，卡瓣的阻力系数随着攻角的增大而增大，增加的幅度很小，增大最明显的是速度为3.0Ma时。这是由脱壳弹的气动布局所决定的。

2) 卡瓣升力系数随攻角的变化

由图6(b)卡瓣升力系数随马赫数和攻角变化曲线可知，在马赫数一定时卡瓣在运动过程中升力系数和攻角的关系基本呈线性变化。当马赫数不同时卡瓣的升力系数变化不大。

3) 卡瓣翻转力矩系数随攻角的变化

由图6(c)卡瓣的翻转力矩随马赫数和攻角的变化曲线可以看出，在马赫数一定时卡瓣的翻转力矩随着攻角的增大而增大，6°攻角为转折点，攻角大于6°时翻转力矩系数的增大幅度减小。

3 弹丸和卡瓣的气动特性分析

3.1 弹丸的气动特性分析

1) 超音速时弹丸的气动特性

弹体表面的不连续过渡处会形成激波。由脱壳弹周围流场的压力云图可以直观分析弹体受力情况、激波位置、激波强弱等变化。从图7可以看出当攻角为2°时，弹丸头部的附体激波比攻角为8°明显，并且激波倾角较小。由于锯形齿的特殊结构，8°攻角时弹丸中部出现大厚度的激波，在这部位出现高压区，尾部的尾激波也比较稠密，弹底涡流区随着攻角的增大而增大。

2) 跨音速时弹丸的气动特性

跨音速时弹丸速度与风速相同，从图8可以看出，弹丸的攻角不同但压力云图相似，在弹尖处，形成正激波，它是无数个空间球形面的叠加，弹丸弹带处同样形成激波，与超声速不同的是压力等值线沿径向发散。

3) 亚音速时弹丸的气动特性

由图9可知，由于亚音速弹丸速度小于声速，弹丸的空气阻力中没有波阻，这是由于弹丸始终追不上对应时刻产生的扰动波，不存在压力突变。此阶段弹丸阻力只有摩阻及涡阻，2°攻角弹丸头部是规则的圆形激波，而8°攻角时激波不是规则的圆形，并且最大压强发生了变化。

3.2 卡瓣的气动特性分析

1) 亚音速时卡瓣的气动特性分析

由图10可以看出，不论攻角大小，卡瓣都会形成正激波，在卡瓣的迎风槽处形成气流的高压区，所以此处静压力最大。这也说明在脱壳过程中，能够实现顺利脱壳的主要动力是迎风槽的侧向空气动力。随着攻角的增大，卡瓣周围的压力逐渐增大。

2) 跨音速时卡瓣的气动特性分析

从跨音速的压力云图可知(图11)，与亚音速相同，由于高速空气流的作用，在迎风槽处形成高压区。卡瓣的压力都是在迎风槽顶部最大，但是跨音速卡瓣在此处的压力明显高于亚音速，同时卡瓣头部激波的形状接近圆形。迎风槽处的压强增大。

3) 超音速时卡瓣的气动特性分析

由图12可以看出卡瓣周围的流体运动产生了明显的变化，并且卡瓣周围激波出现规则性的形状变化。当压力达到最大值时，弹体与卡瓣脱离，与此同时相互之间的作用力也消失了，卡瓣自由运动，弹体与卡瓣之间不会相互影响。此外卡瓣头部产生脱体激波，卡瓣下表面转弯处出现膨胀波，卡瓣的下表面膨胀波的分布情况沿着弹轴方向不同，可以看出，攻角不同时，卡瓣下表面压力分布也不相同。

4 结论

本文所有的工作都是采用仿真软件完成的，由于计算和软件本身误差的存在，所以本文所得数据规律只能提供参考，需要打靶实验进一步验证仿真数据的准确性，本文的研究为后续动力学的计算提供重要依据并为新弹型的研制提供参考。

[1] 尹建平，王志军.弹药学[M].2版.北京： 北京理工大学出版社，2012：184-188.

[2] 于煜斌，张靖，王克勤.新型有翼弹托脱壳机理研究[J].兵工学报,2009,30(6)：668-671.

[3] 王少然.外军步兵精确打击弹药技术发展[J].轻兵器,2013，23：11-13.

[4] 祁载康.制导弹药技术[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[5] 徐明友.火箭外弹道学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.

[6] 关克，惠东.穿甲弹的克星[J].现代军事,2013(10)：10-15.

[7] 王迎春,王洁,管维乐.穿甲弹的现状及发展趋势研究[J].飞航导弹,2013(1):48-52.

[8] 黄振贵.尾翼稳定脱壳穿甲弹脱壳动力学过程的三维数值模拟[J].兵工学报, 2014(1)：9-17.

[9] 贝静芬.美国的长杆式尾翼稳定脱壳穿甲弹[J].现代兵器,1984(3)：4-10.

[10] 杨启仁，徐直军.脱壳动力学[M].4版.北京：国防工业出版社，1996.

(责任编辑周江川)

NumericalSimulationontheAerodynamicsofSub-CaliberShellingFlyingObject

ZHANG Jiayi， LIU Miaomiao， SHAO Pan， HAO Yongping

(Institute of Mechanical Engineering, Shenyang Li gong University, Shenyang 110159, China)

The three-dimensional model of sub-shelling flying object was established.According to the knowledge of fluid mechanics, the simulation of the pneumatic layout of the projectile and the card flaps was simulated by using the fluid mechanics simulation software.Then the main aerodynamic parameters of the two were obtained, and the aerodynamic characteristics of the projectile and the card flaps were changed in different Mach numbers.

analogue simulation; aerodynamic configuration; aerodynamics

2017-04-25；

：2017-05-21

张嘉易(1968—),男，教授，主要从事弹道修正技术研究。

10.11809/scbgxb2017.09.002

format:ZHANG Jiayi，LIU Miaomiao*，SHAO Pan，et al.Numerical Simulation on the Aerodynamics of Sub-Caliber Shelling Flying Object[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):8-11.

TJ012.3

：A

2096-2304(2017)09-0008-04

本文引用格式：张嘉易，刘苗苗，邵盼，等.次口径脱壳飞行体气动特性的数值模拟研究[J].兵器装备工程学报，2017(9):8-11.