基于动网格技术的飞机舱弹分离过程CFD_RBD耦合数值仿真.pdf

2023年海军 航空大 学学 报海军 航空大 学学 报2023第38卷 第3期Journal of Naval Aviation UniversityVol.38 No.3文章编号：2097-1427（2023）03-0289-05DOI:10.7682/j.issn.2097-1427.2023.03.009基于动网格技术的飞机舱弹分离过程CFD/RBD耦合数值仿真徐学文，肖支才，曲凯（海军航空大学，山东 烟台 264001）摘要：飞机舱弹分离瞬间特性严重影响导弹/炸弹的打击精度。采用计算流体动力学（CFD）和刚体动力学（RBD）模型耦合求解的数值仿真方法，应用网格弹性光顺和局部重构相结合的动网格技术，有效地避免了刚体运动而引起的网格畸变，仿真计算了炸弹舱弹分离后俯仰角度变化过程.仿真结果表明，舱弹分离时向炸弹施加1个合适的抛射力矩，有助于炸弹在下降过程中快速地调整其打击姿态。关键词：流场仿真；刚体运动；模型耦合；动网格中图分类号：V211文献标识码：A0 引言飞机发射/投放弹是现代化战争中重要的作战活动和军事打击手段。随着第5代战斗机的研制成功及军事应用，为提高战斗机的隐身功效，战斗机均采用内埋舱贮式发射导弹与投放炸弹。在飞机打击目标过程中，飞机舱弹分离过程非常复杂：在飞机弹舱处产生流动分离、激波干扰等复杂的流动现象，在舱外表面还存在强烈的气流剪切层1；飞机与导弹/炸弹分离之后，导弹/炸弹将进行六自由度运动，飞行姿态极易受外界气流、作用力和激波的影响产生较大变化，这不仅对载机的安全性造成严重的威胁，而且还对投放安全、姿态稳定与打击精度造成影响2。因此，研究飞机舱弹分离过程，提高舱弹分离品质与导弹/炸弹的打击精度，具有重要的军事意义。当前，国内外对舱弹分离问题的研究主要采用风洞试验3-4、飞行试验5-6和数值仿真7-83种方法，其中，风洞试验和飞行试验存在研究成本高、威胁性大、耗时长等缺点。近年来，随着计算机性能提高和动网格仿真技术进步9-11，数值仿真已成为科学研究的主要手段。因此，本文采用计算流体动力学（CFD）和刚体动力学（RBD）模型耦合求解的数值仿真方法12，基于动网格技术模拟飞机舱弹分离过程，研究炸弹投放分离后俯仰角度的变化。1 仿真计算方程1.1 RBD方程飞机在投放弹时保持匀速直线飞行，然后打开舱门，把要投放的炸弹从弹舱弹射出去。抛射瞬间，炸弹受到重力FG、抛射力FS和抛射力矩MS的作用，脱离贮存架，炸弹做六自由度运动。舱弹分离后，炸弹还要受到来流气体压力FP、黏性摩擦力Fu和气动力矩Md的作用。在炸弹运动的数值模拟过程中，不考虑炸弹的材料特性（假设为刚体），将炸弹在空间的运动看作是导弹质心的移动和导弹绕质心的转动的合成13，在惯性坐标系(x,y,z)下可用线速度vc(vx,vy,vz)和角速度c(x,y,z)来描述，且它们都是时间t的函数。同时，在炸弹上建立以质心为原点的随动体坐标系(xb,yb,zb)，如图1所示，ocxb为弹体轴线，指向头部，oczb在弹体中心对称面内垂直ocxb轴线，指向下方。图1 炸弹受力及坐标系Fig.1 Force and coordinate system of bomb收稿日期：2022-07-15；修回日期：2022-12-26作者简介：徐学文（1971），男，副教授，博士。xyzobybxbzco海 军 航 空 大 学 学 报海 军 航 空 大 学 学 报第38卷惯性坐标系下炸弹质心平移运动方程为：vc=1mF。（1）式（1）中：vc为惯性坐标系下炸弹质心的加速度；m为炸弹质量；F为炸弹质心处所受外力。体坐标系下炸弹角运动方程为：b=1L()Mb-bLb。（2）式（2）中：b为体坐标系下炸弹的角转动加速度；L为转动惯量；Mb为力矩矢量。体坐标系炸弹角运动方程可以通过坐标转换矩阵I转换成惯性坐标系下运动方程。在仿真计算中，通过对式（1）（2）积分就可以确定炸弹质心的位置和运动方向。设xnc和nc分别表示当前第n时间步质心的位置和方向，则下一个时间步(n+1)时质心的位置及方向为：xn+1c=xnc+vct，（3）n+1c=nc+Ict。（4）刚体的位置矢量根据瞬时角速度c转动来确定，对于有限的转动角=|ct，炸弹位置矢量xr相对于质心xc表示为：xn+1r=xnc+|xnrsin()e+()cos()er-1。（5）式（5）中，e、er为单位矢量。1.2 CFD方程本文涉及对RBD的数值模拟，因而使用任意拉格朗日-欧拉方法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE）描述的N-S方程，对流场进行描述14-16。在CFD惯性坐标系下，对于边界移动的任意控制体积V上的标量（质量、速度u、能量E），非定常守恒型动网格流场计算方程为：ddtVdV+V(u-ug)dA=VdA+VSdV。（6）式（6）中：V()t为空间中大小和形状都随时间变化的控制体积；为流体密度；V()t为控制体积的运动边界；ug为运动网格的运动速度；u为流体速度矢量；为耗散系数；S是标量的源项。湍流模型采用计算精度比较高、应用比较广泛的k-二方程模型。k控制方程：kt+uikxi=P-+xi(vtkkxi)。（7）控制方程：t+uixi=C1kP-C22k+xi(vtxi)。（8）式（7）（8）中：P为湍流动能产生项；vt为黏性系数，vt=t，而t=Ck2；C、C1、C2、和k为模型系数。另外，为使方程组封闭，还有气体的状态方程：pg=RT。（9）式（9）中：pg为气体压力；R为气体常数；T为气体温度，单位K。2 数值仿真方法2.1 流场网格离散模型本文为简化计算，仅考虑炸弹质心运动位置及俯仰角度变化，不考虑炸弹滚动、偏航角度，因此，这里采用二维流场仿真计算。选择飞机舱弹分离的炸弹部分运动区域作为仿真区域，采用有限体积法17的非结构化网格离散这个区域，最终所建立的流场仿真区域离散网格及边界如图2所示。将流场来流方向设置为压力进口边界，出流方向设置为远场边界。图2 流场离散网格Fig.2 Discrete grid of flow field2.2 动网格仿真技术为保证流场仿真区域内刚体（炸弹）气动力的计算精度，首先，在弹体周围生成流体边界层，让流体边界层随着弹体一起运动，保证弹体周围的边界层不变，并且在弹体附近区域加密计算网格15。在计算过程中，为避免由于刚体运动导致流场区域网格扭曲，品质变坏，严重影响仿真精度的情况发生，这里采用弹性光顺法（smoothing）和局部网格重构法（remesh-ing）2项动网格技术17。弹性光顺法能够保证整个仿真区域网格节点像弹簧连接的网格系统一样，在计算时间步更新后，重新达到新的平衡位置，减少全域网格扭曲变形；局部网格重构法保证了刚体附近局部网格扭曲率或尺寸超过设定标准时，局部网格将被重新机舱压力进口边界炸弹流场区域远场边界 290第3期徐学文，等：基于动网格技术的飞机舱弹分离过程CFD/RBD耦合数值仿真划分，从而减少了局部区域网格过大变形，但同时，局部网格间连接属性、节点数量和连接关系发生改变。应用弹性光顺法和局部网格重构法后，网格质量得到显著改善。流场仿真网格如图3所示。图3 网格重构后的流场仿真网格Fig.3 Flow field simulation network after grid reconstruction2.3 仿真耦合方法本文采用CFD和RBD方程耦合求解来仿真舱弹分离过程18-19：首先，利用CFD方程计算出某一时刻仿真区域流场参数分布，获得流场中炸弹所受气动力和气动力矩，将其传递给RBD方程以获得炸弹对气动力的响应；然后，通过RBD方程计算出下一时刻的炸弹运动位置和姿态，根据这些信息更新计算网格（经过反复迭代直至满足动网格设置标准）；再进行下一时刻的CFD方程计算以获取新的气动力；重复以上耦合过程，直至计算完毕。3 计算结果与分析本文仿真的刚体对象炸弹质量m为500kg，转动惯量Lzz为500kgm2，飞机飞行马赫数为0.76，初始流场区域划分的网格单元数为19 596，最小单元面积为1.82710-2m2，最大单元面积为1.908 m2。在舱弹分离时刻，飞机向炸弹施加了抛射力（转换到重心 上 为Fcx、Fcy、Mcz），作 用 时 间 0.3 s。在Fcx=-10 000 N、Fcy=-8 000 N下，Mcz分别为0 Nm、2 200 Nm、-2 200 Nm，计算不同力矩下炸弹姿态变化。当Mcz=0 Nm时，炸弹在抛射力Fc作用下加速离开弹舱向下运动，出舱瞬间在外界干扰下极易发生弹体反转，如图4所示。在机舱舱门刚打开，炸弹离开原位瞬间，由于弹体上下表面受外界气流压力不均衡，炸弹头部微微向下摆动（转动角度为2），0.4 s弹体完全出舱脱落飞机边界层气流的影响，在外界气流作用下，弹体周围压力分布如图5所示。弹体上气体压力、黏性力合成出1个顺时针气动力矩推动弹体开始做顺时针转动，弹体转动角度由正值变为负值，如图6所示。在1.38 s时转动角度达到-90，头部朝上，转动速度仍为负值，弹体在转动惯性作用下姿态角度继续增大。此后，炸弹在重力、气动力作用下，弹体姿态角度迅速调整到-270，弹头向下。图4 炸弹下落轨迹及姿态（Mcz=0 Nm）Fig.4 Falling track and attitude of bomb(Mcz=0 Nm)图5 弹体周围压力分布Fig.5 Pressure distribution around the bomb图6 弹体姿态角度变化Fig.6 Attitude angle change of bomb当炸弹出舱时向其施加 1 个正向力矩作用（Mcz=2 200 Nm），弹体获得了1个逆时针转动角速度。炸弹出舱后，在重力、气动力矩的作用下，弹头迅速向下摆动，并且转动角速度也迅速增大，1.1 s弹体转动角度就达到90，弹头摆正到垂直向下打击姿态，如图7所示。此后，弹体主要在惯性力矩作用下，围绕垂直打击姿态（炸弹轴线与重力作用线重合）做左右调整摆动，打击姿态迅速稳定。500-50-100-150-200-250-300/()00.511.522.5t/s弹体附面层网格 291海 军 航 空 大 学 学 报海 军 航 空 大 学 学 报第38卷图7 炸弹下落姿态（Mcz=2 200 Nm）Fig.7 Falling attitude of bomb(Mcz=2 200 Nm)当 炸 弹 出 舱 时 向 其 施 加 1 个 负 向 力 矩 时（Mcz=-2 200 Nm），炸弹出舱后，弹体转动角度、转动角度顺时针迅速增加，1.12 s时转动角度达-90，2.23 s时弹体转动到-270，导弹垂直打击姿态如图8所示。图8 炸弹下落姿态（Mcz=-2 200 Nm）Fig.8 Falling attitude of bomb(Mcz=-2 200 Nm)4 结论本文基于网格弹性光顺-重构的动网格技术，将CFD与RBD方程耦合，仿真计算了炸弹从飞机舱分离后姿态角度变化历程，仿真过程及结果表明：1）采用弹性光顺法和局部网格重构法相结合的动网格技术，能够有效地避免刚体运动引起的网格畸变，可显著提高网格品质和计算精度；2）在舱弹分离时，向炸弹施加不同的力矩，弹体姿态调整方向是不一样的，当向其施加1个正向的抛射力矩，有助于炸弹在下降过程中快速地摆正到垂直打击姿态，缩短姿态调整时间。参考文献：1全景阁.分离流中若干气动弹性问题研究D.西安:西北工业大学,2019.QUAN JINGGE.Study on aeroelastic analysis in separat-ed flowsD.Xi an:Northwestern Polytechnical Universi-ty,2019.(in Chinese)2雷娟棉,苗瑞生,居贤铭.战术火箭子母战斗部第一次抛撒分离多体干扰流场数值模拟J.北京理工大学学报,2004,24(9):766-769,785.LEI JUANMIAN,MIAO RUISHENG,JU XIANMING.Numerical investigation of multi-body flow fields in thefirst separation of tactical rockets submunitionsJ.Trans-actions of Beijing Institute of Technology,2004,24(9):766-769,785.(in Chinese)3MOLTON P,DANDOIS J,LEPAGE A,et al.Control ofbuffet phenomenon on a transonic swept wingJ.AIAAJournal,2013,51(4):761-772.4陶如意,张丁山,赵润祥,等.超音速子母弹分离干扰流场数值模拟与试验研究J.空气动力学学报,2010,28(3):310-315.TAO RUYI,ZHANG DINGSHAN,ZHAO RUNX-IANG,et al.Numerical and experimental study of inter-ference flow field on separation of supersonic cluster mu-nitionJ.Acta Aerodynamica Sinica,2010,28(3):310-315.(in Chinese)5WICKRAMASINGHE V K,CHEN YONG,ZIMCIK DG.Experimental evaluation of an advanced buffet sup-pression system on full scale F/A-18 FinJ.Journal ofAircraft,2007,44(3):733-740.6HARRIS R E,LIEVER P A,LUKE E A,et al.Towards apredictive capability for multiple-body proximate-flightin high-speed air-delivered systemsC/42nd AIAA FluidDynamics Conference and Exhibit.Reston,VA,USA:AIAA,2012:AIAA2012-2816.7张玉东,纪楚群.多体分离非定常气动特性数值模拟J.空气动力学学报,2006,24(1):1-4.ZHANG YUDONG,JI CHUQUN.The numerical simula-tion of unsteady multi-body separating flowsJ.ActaAerodynamica Sinica,2006,24(1):1-4.(in Chinese)8肖中云,江雄,牟斌,等.并行环境下外挂物动态分离过程的数值模拟J.航空学报,2010,31(8):1509-1516.XIAO ZHONGYUN,JIANG XIONG,MU BIN,et al.Numerical simulation of dynamic process of store separa-tion in parallel environmentJ.Acta Aeronautica et Astro-nautica Sinica,2010,31(8):1509-1516.(in Chinese)9张来平,邓小刚,张涵信.动网格生成技术及非定常计算方法进展综述J.力学进展,2010,40(4):424-447.292第3期徐学文，等：基于动网格技术的飞机舱弹分离过程CFD/RBD耦合数值仿真ZHANGLAIPING,DENGXIAOGANG,ZHANGHANXIN.Reviews of moving grid generation techniquesand numerical methods for unsteady flowJ.Advances inMechanics,2010,40(4):424-447.(in Chinese)10 曾铮,王刚,叶正寅.RBF 整体网格变形技术与多体轨迹仿真J.空气动力学学报,2015,33(2):170-177.ZENG ZHENG,WANG GANG,YE ZHENGYIN.En-hanced RBF mesh deformation method and multi-bodytrajectorysimulationJ.ActaAerodynamicaSinica,2015,33(2):170-177.(in Chinese)11 蒋跃文.基于广义网格的 CFD 方法及其应用D.西安:西北工业大学,2013.JIANG YUEWEN.Numerical solution of Navier-Stokesequations on generalized mesh and its applicationD.Xi an:Northwestern Polytechnical University,2013.(in Chinese)12 靳晨晖,王刚,王泽汉.子母弹多体分离过程的非定常CFD/RBD数值仿真J.气体物理,2018,3(4):47-63.JIN CHENHUI,WANG GANG,WANG ZEHAN.Nu-merical simulation of unsteady CFD/RBD in multibodyseparation process of cluster munitionsJ.Physics of Gas-es,2018,3(4):47-63.(in Chinese)13 韩子鹏.弹箭外弹道学M.北京:北京理工大学出版社,2008:133-134.HAN ZIPENG.Exterior ballistics of projectiles and rock-etsM.Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2008:133-134.(in Chinese)14 潘锦珊,单鹏,刘火星,等.气体动力学基础M.北京:国防工业出版社,2012:164-168.PAN JINSHAN,SHAN PENG,LIU HUOXING,et al.Fundamentals of gasdynamicsM.Beijing:National De-fense Industry Press,2012:164-168.(in Chinese)15 VERSTEEG H K,MALALASEKERAW.计算流体力学导论:有限体积法M.北京:世界图书出版公司,2012:117-119.VERSTEEG H K,MALALASEKERA W.An introduc-tion to computational fluid dynamics:the finite volumemethodM.Beijing:World Book Publishing Company,2012:117-119.(in Chinese)16 王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用M.北京:清华大学出版社,2020:217-219.WANG FUJUN.Computational fluid dynamics analysis-principle and application of CFD softwareM.Beijing:Tsinghua University Press,2020:217-219.(in Chinese)17 隋洪涛,李鹏飞,马世虎,等.精通CFD动网格工程仿真与案例实战M.北京:人民邮电出版社,2013:15-20.SUI HONGTAO,LI PENGFEI,MA SHIHU,et al.Profi-cient in CFD dynamic grid engineering simulation andcase practiceM.Beijing:Peoples Posts&Telecommuni-cations Publishing House,2013:15-20.(in Chinese)18 ZHU SHIQUAN,CHEN ZHIHUA,ZHANG HUI,et al.Investigations on the influence of control devices to theseparation characteristics of a missile from the internalweapons bayJ.Journal of Mechanical Science and Tech-nology,2018,32(5):2047-2057.19 ZHU SHIQUAN,HUANG ZHENGUI,GOU YONGJIE,et al.Investigation on the application of wedge flow con-trol device in the process of missile separationJ.De-fence Science Journal,2018,68(6):583-588.CFD/RBD Coupling Numerical Simulation of Aircraft CabinBomb Separation Process Based on Dynamic Grid TechnologyXU Xuewen,XIAO Zhicai,QU Kai(Naval Aviation University,Yantai Shandong 264001,China)Abstract:The instantaneous characteristics of aircraft cabin bomb separation seriously affect the strike accuracy of missiles/bombs.The numerical simulation method of coupling solution of computational fluid dynamics(CFD)and rigid body dynamics(RBD)model is adopted,and the dynamic grid technology combining grid elastic smoothing and local reconstruction isapplied to effectively avoid the grid distortion caused by rigid body motion.The pitch angle change process after cabin bombseparation is simulated and calculated.The simulation results show that an appropriate ejection torque is applied to thebomb when the cabin bomb is separated,which helps the bomb to quickly adjust its attack attitude in the process of descent.Keywords:flow field simulation;rigid body motion;model coupling;moving grid 293