基于气泡型非光滑表面的弹丸减阻性能研究

裴乙橦，邵伟平，郝永平，陈 闯，赵洪力

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.辽沈工业集团有限公司 研发中心，辽宁 沈阳 110159)

弹丸在飞行过程中受周围气流的作用，其表面的压力分布不均匀，压力差会对弹体表面产生黏性摩擦力[1].因此，多年来，在各种弹丸的设计研制过程中，减小弹丸所受摩擦力一直是科技人员努力的方向.国外在这方面已有成果应用于工程实践，法国的“西北风”地空导弹是较早的成功例子.这种导弹的红外导引头头罩采用八棱锥结构，由8块厚薄一致的红外高透射率的梯形氟化镁玻璃板胶接而成，使导弹的气动阻力大大减小，其射程和机动能力都有很大提高[2].另一种有效减阻的方法是通过改变弹丸表面粗糙度来改变弹丸附近流场.Walsh最先开展微沟槽平板减阻的研究，引起了各国研究者对非光滑表面减阻研究的兴趣[3]；田丽梅等从工程仿生学角度，对布置在尾部的凸包型、凹坑型和棱纹型非光滑表面旋成体模型进行试验，得出了非光滑表面可以降低总阻力的结论[4]；张成春等利用三角形沟槽表面的旋成体进行实验仿真，取得了比较理想的减阻效果[5].

目前，国内对非光滑表面减阻主要集中在对V型、U型等沟槽的研究上[6].本文用Fluent软件对另一种非光滑表面——气泡型表面的弹体进行数值模拟，并综合分析气泡数量和气泡大小在不同攻角和马赫数下对弹体阻力系数和升力系数的影响.

1 模型建立和网格划分

利用Pro/Engineer软件建立一个弹丸模型，气泡位置与弹丸顶部截面的距离为142.14 mm.弹体模型如图1所示.

图1 弹体模型

采用Gambit进行网格划分.在弹头部和微气泡的位置加密网格，且由弹头至弹尾方向展开.弹体表面采用网格渐疏的方式进行网格划分.对于微气泡阵列结构的弹头部，在混合网格的基础上进行加密处理；对于其他空间，距离微气泡阵列结构弹丸越近的部分网格划分越密，距离微气泡弹丸模型越远的部分网格划分越稀疏；对于节点相同的部分应疏密适量.这种网格划分方法可以在保证较高计算精度的条件下有效缩短计算时间，提高计算效率[7].本文划分的微气泡阵列结构弹丸整体和外流场网格如图2所示.

图2 微气泡阵列结构弹丸整体和外流场网格

2 计算条件

采用压力基耦合求解器和Spalast-Allmaras湍流模型可对计算中的边界条件进行设置.采用压力远场边界，将壁面设置为无滑移边界条件，静压p=101 325 Pa，静温T=288.15 K，远场来流密度ρ=1.225 kg/m3，流体动力黏度系数μ=1.789×105kg/(m·s).本文运用的是非结构化网格，流动方向与网格不一定一致，所以采用了二阶迎风计格式.

3 微气泡对弹丸阻力的影响

弹丸在空中飞行时，必然会受到空气阻力的影响，而空气阻力又是影响弹丸飞行距离的重要参数之一.因此，研究微致动器结构对弹丸的阻力影响非常必要.

3.1 气泡大小对阻力系数Cd的影响

设微气泡的个数n=8不变，微气泡的直径d=6、8、10(单位为mm)，马赫数Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.

在不同直径微气泡致动器作用下，当马赫数为0.5，攻角为0～8°时，微气泡直径为10 mm比6 mm和8 mm的阻力系数大；当攻角大于2°时，微气泡直径为8 mm的阻力系数随攻角的增大而快速增大，且大于其他两种状态(图3).当马赫数为1.0(图4)和1.5(图5)时，阻力系数的变化趋势随攻角的增大而增大，但增量比较小，而且d=8 mm的阻力系数最大.比较后可知：当攻角小于3°时，微气泡直径d=6 mm的阻力系数比较理想；当攻角大于3°时，微气泡直径d=10 mm的阻力系数比较理想.

图3 不同气泡直径下Ma=0.5时阻力系数随攻角的变化曲线

图4 不同气泡直径下Ma=1.0时阻力系数随攻角的变化曲线

图5 不同气泡直径下Ma=1.5时阻力系数随攻角的变化曲线

3.2 气泡个数对阻力系数Cd的影响

设微气泡直径d=8 mm不变，微气泡个数n=6、8、10，马赫数Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.仿真结果如图6～图8所示.

从图6～图8可看出，马赫数越大则阻力系数越大，当马赫数为1.0和1.5时，不同气泡个数下弹丸阻力系数的变化趋势相似，都是随着攻角的增大而增大的.对比这3种马赫数时的阻力系数，气泡数量n=10时阻力系数最小.当Ma=0.5，攻角为6°，且气泡个数n=8时，致动弹丸的阻力系数最大.比较后可知：当气泡个数n=10时，整个弹丸的阻力系数最小.

图6 不同气泡个数下Ma=0.5时阻力系数随攻角的变化曲线

图7 不同气泡个数下Ma=1.0时阻力系数随攻角的变化曲线

图8 不同气泡个数下Ma=1.5时阻力系数随攻角的变化曲线

4 微气泡对弹丸升力特性的影响

弹丸头部拥有微气泡阵列结构，当微致动器不工作时，弹丸外形无任何改变，但是当微致动器开始工作时，弹体外形会发生不对称性改变.弹丸受力的不对称使弹丸产生一个侧向力，如果这个侧向力的方向是向上的，那么这个力就是升力.升力是影响弹丸飞行距离的重要参数之一.通过改变气泡大小、个数来研究弹丸升力的变化，可了解不同结构微气泡阵列结构弹丸的升力特性.

4.1 气泡大小对升力系数Cl的影响

设微气泡的个数n=8不变，微气泡的直径d=6、8、10(单位为mm)，马赫数Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.根据仿真数据，可绘制微气泡大小不同及相应马赫数下升力系数随攻角的变化曲线(图9).

图9 气泡大小不同及相应马赫数下升力系数随攻角的变化曲线

由图9可知：当马赫数一定时，各图像中升力系数都是随攻角的增大而增大的；当攻角和马赫数都一定时，弹丸的升力系数随气泡的直径增大而增大，但是随着马赫数的变大，气泡大小对弹丸升力系数的影响变小.比较后可知：当气泡直径d=10 mm时，整个弹丸的升力系数最大.

4.2 气泡个数对升力系数Cl的影响

设微气泡直径d=8 mm不变，气泡个数n=6、8、10，马赫数Ma=0.5、1.0、1.5，攻角α=0°、2°、4°、6°.根据Fluent仿真数据，可绘制气泡个数不同及相应马赫数下升力系数随攻角的变化曲线(图10).

由图10可知：升力系数随攻角的增大而增大，且在马赫数一定的情况下，n=10时升力系数为最大；当马赫数为0.5且攻角大于零时，气泡个数对升力系数的影响是显而易见的，即气泡个数越多升力系数越大；当马赫数为1.0、1.5而攻角为0°时气泡个数对升力系数基本没有影响；当攻角大于0°而气泡个数由6增加到8时，对升力系数的影响明显，但是由8增加到10时对升力系数几乎没有影响.比较后可知：当气泡个数n=10时，整个弹丸的升力系数最大.

图10 气泡个数不同及相应马赫数下升力系数随攻角的变化曲线

5 结 论

本文针对某型弹体模型，应用微气泡技术得到以下结论：微气泡凸起会改变弹丸表面的形态，从而改变弹丸表面的气流状态，扰乱流场，导致弹体表面的受力不均匀，在一定程度上可减小弹体所受的阻力，提高其飞行的升力.由阻力系数和升力系数曲线可知：当气泡个数n=8，气泡直径d=10 mm时升力系数最大，且其阻力系数相对适中；当气泡直径d=8 mm，气泡个数n=10时阻力系数最小，而且其升力系数最大.