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
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1、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
2、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,
3、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
4、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
5、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
6、 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 characteristic
7、s 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 an
8、gle 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
9、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
10、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 70
11、3 974 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。
12、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
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