基于k-ω湍流模型的某云爆弹亚音速下二次引信气动特性研究.pdf

创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期基于 k-棕 湍流模型的某云爆弹亚音速下二次引信气动特性研究车淑琴，马俐康，杜云鹏，孙春霞，童亚光，戴为（晋西工业集团有限责任公司，太原 030027）云爆弹是一种高能毁伤弹药1，自 1966 年美国在越南投下首枚 GBU-55B 云爆战斗部以来，云爆战斗部以其独特的作用方式及大面积高效毁伤特点受到世界各军事强国的大力追捧，在世界各军事强国的技术推动下，云爆战斗部取得了快速的发展2。而二次起爆型云爆弹会发生二次爆炸，一次释放大量燃料，利用炸药爆炸产生的冲击波将外层的云爆剂抛撒到空中。与空气混合，产生高浓度的云雾气。然后二次引信会再次点火引爆炸药，将含有高浓度云爆剂的云雾气引爆，形成火球并产生气浪，从而达到摧毁建筑物和杀伤人员的目的3。二次引爆的时间很大程度上影响着云雾爆轰产生的威力，引爆时间过早，云雾浓度过大、体积过小，消耗起爆能较多；引爆时间过迟，云雾浓度偏小，容易发生爆燃而非爆轰，爆燃产生的威力远小于爆轰威力，甚至起爆失败。因此，为适应较高终点落速的二次起爆型云爆弹的使用需求，在二次引信与母弹分离后，需要合适的阻力特性，且在减速过程中保持自身稳定飞行，确保二次引信能够在恰当的时间、高度与扩散至最佳浓度的云团实现交会起爆4。通过仿真分析从分离点到起爆点的弹道过程，确定二次引信阻力特征，使得二次引信在特定的时间落入云团中心，二次引信到达预定高度即开始分离，通过增大分离速度实现二次引信减速。采用仿真分析抛撒点到起爆点的弹道过程，确定二次引信分离延时、云雾剂抛撒延时和二次引信起爆延时，使二次引信与云团中心在空间-时间上进行动态匹配交会，在特定时间内实现云团起爆。二次引信阻力特性及稳定性都影响到弹道计算时二次引信减速和飞行结果，故而二次引信阻力特性及稳定性的研究对云爆弹的可靠起爆至关重要。第一作者简介：车淑琴（1988-），女，硕士，工程师。研究方向为弹箭总体设计。摘要：二次起爆型云爆弹的二次引信需要在气溶胶达到特定浓度时引爆整个云雾团，随即发生爆轰，同时释放出大量热能，产生爆炸冲击波，从而大面积摧毁军事目标，故而二次起爆型云爆弹的关键技术之一是研究二次引信与云雾团的空间-时间匹配关系，尤其需要研究二次引信抛出后的气动特性。为研究某二次引信的气动力特性和静稳定性，该文基于 k-棕 湍流模型对该二次引信气动特性进行数值仿真计算。仿真计算结果表明，该异形二次引信在 0.6耀0.8 Ma 下阻力系数随着马赫数和攻角的增加而增大，且俯仰通道和偏航通道都是静稳定的。关键词：湍流模型；云爆弹；二次引信；气动特性；静稳定性中图分类号院TJ430文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0015-05Abstract:The secondary fuze of the secondary initiation cloud explosive bomb needs to detonate the whole cloud when theaerosol reaches a specific concentration,then detonation occurs,and a large amount of heat energy is released at the same time,resulting in an explosion shock wave,thus destroying the military target in a large area.Therefore,one of the key technologies ofthe secondary initiation cloud explosive bomb is to study the space-time matching relationship between the secondary fuze and thecloud,especially the aerodynamic characteristics of the secondary fuze.In order to study the aerodynamic characteristics and staticstability of a secondary fuze,the aerodynamic characteristics of the secondary fuze are numerically simulated based on the k-棕turbulence model.The simulation results show that the resistance coefficient of the special-shaped secondary fuze increases withthe increase of Mach number and angle of attack under 0.60.8 Ma,and the pitch channel and yaw channel are statically stable.Keywords:turbulence model;cloud bomb;secondary fuze;aerodynamic characteristics;static stabilityDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.00415-2023 年 27 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application1N-S方程CFD 数值求解的核心部分是 Navier-Stokes（N-S）方程，从方程中可获得流动规律和解决流动问题，在三维直角坐标系下可压缩流体非定常流动的 N-S 方程为5N-S 控制方程是所有牛顿流体流动必须遵循的支配方程，然而这些流动所呈现的具体状况千差万别，这是由于定解条件和流体物性的不同而引起的。因此，边界条件的提法及其数学处理在计算流体力学中是一个十分重要的问题。首先，适当的边界条件提法及其数学处理是计算过程稳定的必要条件；其次，边界处理的具体方法可能影响如摩阻、热流等物理量的计算精度；再次，在对一些流动问题的细致模拟中，边界条件将可能对流场内部结构产生影响。总之，对于多尺度物理量现象的直接数值模拟来讲，不仅需要采用高精度、高分辨率的差分格式，而且要求控制边界条件6-8。由于 k-着 模型更加适合做主流区计算，而 k-棕 模型在近壁面的计算中有较大优势9-13，本文中近壁面主要采用 k-棕 湍流模型。2二次引信气动特性数值仿真计算为适应云爆弹内部空间需要并增加二次引信进入云团的概率，在云爆弹内部分布 4 个二次引信，同时为更大程度地提高二次引信内部空间，将其设计为异形形状。二次引信气动 CAD 外形简化后如图 1 所示，该二次引信在俯仰、偏航方向具有对称性，二次引信分为弹体及 6 个稳定尾翼，弹体剖面为六边形，稳定尾翼翼型为长方形。弹体特征长度为 0.548 m，参考面积为0.070 703 974 4 m2。图 1二次引信模型2.1网格划分该二次引信的 CFD 仿真模型是采用商业软件进行模拟数值计算的，采用从上到下的结构体网格划分方法，异形二次引信的局部表面网格模型如图 2 所示。计算域外流场网格模型如图 3 所示。计算网格采用六面体网格，根据尺寸比例在弹体外围设置一个绕流流场，第一层边界层网格厚度为 5伊10-6m，网格增长率设定为 1.5 以控制网格增长速度，避免网格增长过快导致计算发散，当使用 k-棕 湍流模型时，其使用壁面模型法，要求 y+=1，近壁面网格层数为 15 层，由于云爆弹云爆剂抛撒的特殊性，对抛出二次引信速度区域进行限制，选取表 1 中的参数作为计算工况。图 2二次引信表面网格2.2计算求解用网格划分软件对计算网格质量进行检查并优化，确认无误后输出网格文件。该模型的计算网格角度Angle 27毅以上，Determinant 3伊3伊3 质量 0.5 以上，网格夹角歪斜度 Equiangle Skewness 0.2 以上。将网格导入计算软件中后，再一次检查网格质量，显示最小体积网格尺寸大于 0 即可（无负体积网格）；使用密度耦合求解器；选择 k-棕 湍流模型；运用理想气体介质，气体UEFGQRStxyzxyz，其中，tuUvwErrrr2()tuupEuvuwEp urrrr2()tvvuFvpvwEp vrrrr2()twwuGwvwpEp wrrrr0 xxxyxzxxxyxzxQuvwqtttttt，0yxyyyzyxyyyzyRuvwqtttttt，0zxzyzzzxzyzzzSuvwqtttttt。16-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期黏度满足萨兰德定理；避免边界条件选择压力远场边界条件；差分格式采用动量、湍流动能及湍流耗散率均选用二阶迎风格式；参考压强使用标准大气压；采用隐式算法，其余默认；定义监视器，进行 20 000 步的迭代计算。作者运用上述设置方法对某现有模型进行计算，并与风洞试验结果进行对比分析，其阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数等误差均控制在 5%以内，说明该方法计算具有一定的准确性和可靠性。图 3计算域外流场网格3气动特性计算结果及分析二次引信扰流外流场域压力云图及二次引信弹身上的压力云图如图 4、图 5 所示。由图 5 可知，二次引信端头和翼梢前端所受压强最大。轴向力系数、法向力系数与阻力系数、升力系数的换算关系如下CD=CA伊cos琢伊cos茁+CN伊sin琢伊cos茁-CZ伊sin茁，CL=-CA伊sin琢+CN伊cos琢，Cz=CA伊cos琢伊sin茁+CN伊sin琢伊sin茁+CZ伊cos茁，式中：CD 为阻力系数，CL 为升力系数，Cz 为侧向力系数，CA 为轴向力系数，CN为法向力系数，CZ为横向力系数14。3.1升力特性分析在侧滑角为 0毅时，0毅、2毅、4毅、6毅、8毅、10毅和 12毅攻角下，进行不同马赫数下的仿真计算，得到升力系数变化曲线如图 6 所示，由图 6 可知，该二次引信升力系数随攻角增大而增大，并且其升力系数受马赫数影响很小，法向力随攻角呈现近似线性变化规律，符合空气动力学基本规律。3.2阻力特性分析在侧滑角为 0毅时，在 0毅、2毅、4毅、6毅、8毅、10毅和 12毅攻角下，进行不同马赫数下的仿真计算，得到阻力系数变化曲线如图 7 所示，由图 7 可知，该二次引信阻力系数在相同攻角下，随马赫数的增大而增大；在相同马赫数下，该二次引信阻力系数随着攻角的增加缓慢增长，但增长较小，说明阻力系数受攻角影响较小。渊a冤0.8 Ma尧2毅攻角时外流场压力云图渊b冤0.8 Ma尧4毅攻角时外流场压力云图图 4外流场压力云图表 1计算工况组合马赫数/Ma 组合 1 组合 2 0.6，0.7，0.8 攻角/0，2，4，6，8，10，12 0 侧滑角/0 0，2，4，6，8，10，12 17-2023 年 27 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application渊a冤0.8 Ma尧2毅攻角二次引信压力云图渊b冤0.8 Ma尧4毅攻角二次引信压力云图图 5二次引信表面静压3.3侧向力特性分析在攻角为 0毅时，在 0毅、2毅、4毅、6毅、8毅、10毅和 12毅侧滑角下，进行不同马赫数下的仿真计算，得到侧向力系数变化曲线如图 8 所示，由图可知，该二次引信侧向力系数受马赫数影响较小，但是受侧滑角影响较大，侧向力系数随着侧滑角的增大而增大，呈现近似线性变化规律，符合空气动力学基本规律。3.4俯仰力矩系数特性分析该二次引信俯仰力矩系数（对质心 0.510 3）随攻角、马赫数变化的曲线如图 9 所示，可以看出，俯仰力矩系数随攻角变化并非线性的，且俯仰通道是静稳定的。0耀6毅攻角时，随着攻角增大，俯仰力矩系数增大较快；攻角为 9耀12毅时，随着攻角增大，俯仰力矩系数增加较慢。图 8二次引信侧向力系数随侧滑角尧马赫数变化曲线图 9二次引信俯仰力矩系数随攻角尧马赫数变化曲线3.5偏航力矩系数特性分析该二次引信偏航力矩系数（对质心 0.510 3）随侧滑角、马赫数变化的曲线如图 10 所示，可以看出，偏航力矩系数随攻角变化是线性的，且偏航通道是静稳定的。图 6二次引信升力系数随攻角尧马赫数变化曲线图 7二次引信阻力系数随攻角尧马赫数变化曲线18-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期岩石力学与工程学报，2018，37（6）：1359-1370.22 宋翔宇.液相放电水激波作用下页岩双裂缝扩展规律的研究D.包头：内蒙古科技大学，2022.23 刘慧，杨更社，任建喜，等.基于数字图像处理的冻融页岩温度场的数值分析方法J.岩石力学与工程学报，2007（8）：1678-1683.24 杨圣奇，孙博文，田文岭，等.不同层理页岩常规三轴压缩力学特性离散元模拟J.工程科学学报，2022，44（3）：430-439.25 张志勇，魏明珠，张虎才，等.基于 DEM 方法的页岩多裂缝扩展数值模拟研究J.岩石力学与工程学报，2021，40（5）：1084-1094.26 VESTERGAARD H，OLSEN H，SIKANDAR A S，et al.The application of unstructured gridding techniques for fullfield simulation of a giant carbonate reservoir developedwith Long Horizontal Wells J.SPE Res Eval&Eng，2园员愿，员员（远）：怨缘愿-怨远苑.27 LARRY K，DOGRU A H.Distributed unstructured grid in原frastructure for complex reservoir simulation C/Europec/EAGE Conference and Exhibition，2008.28 BARENBLATT G I，ZHELTOV I P，KOCHINA I N.Ba原sic concepts in the theory of seepage of homogeneous liq原uids in fissured rocks J.Journal of Applied Mathematicand Mechanics，1960，25（4）：14-26援29 WARREN J E，ROOT P J.The Behavior of naturally frac原tured reservoirsJ.SPE，1963，3（3）：245-255.图 10二次引信偏航力矩系数随侧滑角尧马赫数变化曲线4结论本文通过将某云爆弹亚音速下二次引信气动外形作为研究对象，应用商业数值仿真计算软件对模型进行计算，并对计算结果进行分析。计算结果表明，在 0.6耀0.8 Ma 下，该异形二次引信阻力系数随着马赫数的增大而增大，阻力系数受马赫数影响较大，升力系数随着攻角的增大呈线性增大，阻力系数受马赫数影响较大，侧向力系数随侧滑角的增大呈线性增长；在俯仰通道和偏航通道都是静稳定的，不排除计算误差的情况下，俯仰方向静稳定度在 13%左右，偏航通道静稳定度在 17%左右，根据以往飞行经验分析，无控情况下，静稳定度达10%左右方可满足实际使用需求，所以俯仰方向和偏航方向的静稳定性可以满足使用需求。研究结果为非常规弹丸弹道特性的深入研究提供了参考和依据。参考文献院1 王杰.某型云爆弹毁伤为例测试及评价方法D.南京：南京理工大学，2016.2 王世英，计冬奎.二次起爆云爆战斗部的发展趋势C/中国兵工学会，重庆市科学技术协会.首届兵器工程大会论文集，2017.3 刘想炎，黄振贵，陈秋元，等.云爆弹对地面人员综合杀伤的仿真评估研究J.兵器装备工程学报，2020（8）：103-106，147.4 杜海东，曹军海，刘福胜.典型陆军部队装备维修作业能力评估系统仿真建模研究J.系统仿真学报，2020，32（10）：1854-1861.5 唐家鹏.ANSYS FLUENT 16.0 超级学习手册M.北京：中国邮电出版社，2018.6 JOHND，ANDERSONJ.FundamentalsofAerodynamics（Fifth Edition）M.北京：航空工业出版社，2016.7 CLAUS 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