Finner翼身组合弹箭马格努斯效应数值研究

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• 论文作者：石磊 ; 刘周 ; 杨云军 ; 周伟江
• 年：2016
• 作者机构：中国航天空气动力技术研究院一所一室;
• 论文关键词：流体力学 ; 高速 ; 旋转弹箭 ; 马格努斯效应 ; 数值模拟
• 会议召开时间：2016-10-20
• 会议录名称：第九届全国流体力学学术会议论文摘要集
• 语种：中文
• 分类号：TJ7
• 学会代码：AGLU
• 会议名称：第九届全国流体力学学术会议
• 会议地点：中国江苏南京
• 主办单位：中国力学学会流体力学专业委员会
• 学会名称：中国力学学会
• 页数：1
• 文件大小：56k
• 原文格式：O
• 会议级别：全国

摘要

当炮弹自转并存在一定攻角时,弹体表面附近流场相对于攻角平面不对称而产生垂直于攻角面的力及力矩,此现象为马格努斯现象,相应的力和力矩称为马格努斯力和马格努斯力矩,通常又称为面外力和面外力矩。马格努斯力一般不大,约为法向力的1~10%,但由此而产生的马格努斯力矩却可以影响弹丸的航向动稳定性,降低打靶精度。因此,准确预测旋转气动特性成为弹箭设计、弹道计算和稳定性研究的必然要求。然而由于旋转带来的复杂气动干扰,如边界层位移厚度的非对称畸变、径向压力梯度的非对称作用、轴向和轴向切应力的非对称变化、体涡的非对称形成和脱落、边界层转捩的非对称畸变、粘性力与压力的相互干扰等都会使气动力和气动力矩呈现较强的非线性特性,为准确预测弹箭的气动特性提出了挑战。从国外对旋转弹箭气动特性研究的发展历程来看,采用的控制方程逐渐从PNS发展到三维完全N-S方程:从旋转坐标系下的定常计算逐渐转变为完全时间相关的非定常计算;计算模型从简单旋成体发展到带翼和带舵的复杂外形,早期采用的定常方法和基于旋转坐标系的方法,对带翼和舵的复杂外形不再适用。先进计算流体力学(CFD)数值模拟方法已经成为旋转弹箭气动特性分析、旋转空气动力效应机理研究的重要手段,服务于弹箭全局及部件形状对气动特性的影响和外形优化选型设计中。国内针对旋转弹箭气动特性的数值模拟工作仍然相对较少,所能获取的中文文献相当有限;采用的计算模型比较简单,集中在旋成体外形上,国外虽然有对带翼外形开展研究,但主要以验证方法为主,对复杂外形马格努斯效应机理性研究还比较少见。为此,本文采用完全时间相关的非定常N-S方程,对带翼弹箭开展计算,从气动特性和流场结构方面对马格努斯效应产生的机理进行研究。结果表明:本文计算结果与实验及文献计算结果吻合良好,验证了方法的可靠性。旋转流场产生非对称畸变,进而使弹箭周向压力分布和切应力分布产生非对称畸变。压力差是产生马格努斯力的主因,摩擦应力产生的马格努斯力只占压力产生马格努斯力的1%。α=5°时弹身马格努斯力占全弹比重略大,随攻角增加,尾翼所占比重急速增大,α=40°弹身马格努斯力只占舵的1%。随攻角增加,全弹马格努斯力由负变正,发生了变号,在全弹的姿态控制系统设计中要尤为注意。

引文