可控飞行体翼片在复杂流场作用下动态特性分析文献综述

 2022-11-26 01:11

文 献 综 述

1.研究背景及意义

火炮武器是陆军火力的一个重要组成部分，传统武器与现代技术结合，可提高火炮武器的效能。由于火炮具有高攻击性和防守性兼备的特点，所以在执行火力打击和火力支援的战争中，火炮的运用也是最为广泛和最重要的。除此之外，火炮还具有包括制造成本较低（相较于重型武器而言），单次使用反应较快，操作和使用较为简单，弹药填充效率高，种类丰富等一系列优势，所以在陆军作战的前线，火炮类武器是军队最重要的火力打击方式之一，也是形成有压制力的突击力量的保障之一，所以火炮在战场上具有不可替代的重要作用。信息化技术应用到火炮技术中，可以大幅度提升火炮的作战能力，更好适应新的作战需要。在这样的背景之下，无论是对于作战人员的素质培养还是对于作战装备以及武器装备的更新和研发都提出了更高和更紧迫的时代要求。而由于目前战争的形式越来越多样化，高新技术手段的合理运用成为了当代武器研发以及更新的重要宗旨。

在这样的背景前提之下，火炮的战术技术性能都受到了快速更新的压力，对于火炮性能提升的研究是刻不容缓的，同时为了在加快研制速度的同时采用更为科学和有效的研究手段，许多新的技术和新的原理也被融入到了火炮研制的过程中，比如用更高效的计算机模拟仿真的手段代替原有的实际模拟，可以同时满足提高实验效能并且降低成本[1]。火炮的结构组成较为复杂，其中涉及到了很多学科及数值推演相关的多项内容。其主要的能量转换过程是将火药中的化学能转换为动能和热能从而推动火炮的弹药发射过程。所以在火炮设计的过程中需要考虑的参数变量都比较复杂，在这样的情况下，运用计算机仿真计算的方式，设定合适的精度与收敛性，可以较为准确的模拟出在相关参数条件下火炮发射的过程,但是由于计算机的模拟特性所以得到的最终结果还是会与实际实物模拟或最终的实际值有一定的偏差。但这种计算机模拟的必要性还是很强的，可以大大帮助研究者缩小参数选择的范围。在计算机模拟之外，还要进行实物模拟，通过两种方式共同决定实验的最佳参数，而实物模拟的技术就是针对实际的物体对象进行的，这种模拟技术的主要优点就是可以将外界自然条件考虑到实验对象的环境中来，使得结果更加准确。

火炮发射时的膛口流场很复杂，对出炮口的弹丸有较大影响，特别是在有尾翼的情况下，影响更为突出。这一过程主要是由于弹体发射过程中膛内膛外流场情况的迅速变化造成的。在火炮发射的过程中，首先经历的是弹体在膛内加速所引发的膛内弹体前空气的快速压缩，这会导致强激波的形成，而膛口在释放出弹体之前这些气体会形成欠膨胀射流先于弹体喷出膛口，从而形成膛口流场的初步形态就是初始流场。初始流场的最大特点是极不稳定并伴随时间而变化。而在初始流场已经形成的条件下，随着弹体喷射而高速喷射出进入初始流场的高温高压火药燃气则会带动形成复杂的瞬态膛口波系系统[2]。而膛口气流的形成过程也是在外部的空气冲击波环境下以一种膨胀度不足的超音速气流的形式[3]。形成的。在射流边界会出现膛口气流与其外部空气冲击波的摩擦导致的火药气体中的烟雾固体颗粒的二次燃烧。弹体在经过膛口时经历的复杂气体动力学环境会对其能源以及尾翼结构造成损耗，因此，为了适应新型战场对于更高效更精准的战争武器的需求，研究出一种配备更合适的尾翼稳定装置的弹体是刻不容缓的任务。带有尾翼装置的弹体具有多种优势，首先就是保证能源动力的连续供应，其次就是补全弹体种类，延长火炮的使用年限。目前的研究中涉及到的尾翼稳定装置主要有以下几种：气缸张开式尾翼、祸轮张开式尾翼、微旋张开式尾翼、径向张开式弧形尾翼、火药气体直接作用的张开式尾翼和弹寶力张开式尾翼[4]。

为了改进炮弹的尾翼稳定装置所承受的气体动力学载荷对其的冲击和影响，首先要考虑的就是尾翼稳定装置在其弹体发射过程中所受到的膛口流场中力的作用导致对弹体尾翼结构的影响，如果尾翼稳定装置选择不恰当则很有可能在膛口流场的冲击下造成形态结构的不完整甚至变形报废，大大降低了战场的作战效能。为了尽量避免这样的情况发生，最好的解决方法就是在弹体研制的过程中预先进行相应的实验模拟操作。然而如果要进行实际的打靶实验的话会涉及到更高的研制费用以及更危险的实验环境，而且在模拟技术不到位的情况下很难完全真实模拟出实际战场上的效果。并且由于实验效果代价过大而难以得到更多的有效参数。在这样的情况下目前的主流研究形势都是以计算机数值模拟为核心的。计算机数值模拟可以得到的效果是在一定计算域之内所定量分析得到的流场随时间的各参数变化模型，某一参数的特定区域下的离散解以及动态流场中的物理量随时间的变化趋势[5]。

2 国内外研究现状

2.1国外研究

国外早期关于膛口流场模型的计算研究启动的时间很早，但是早期的主要研究方式是以实际实验和近似计算相结合的方式进行的，在上世纪八十年代左右，国外开始出现利用一些商业CFD软件进行流场模型仿真和数值计算的研究。同时，编写CFD软件的工作也在国外开始发展起来，根据文献[6-10]的内容，近年来国外对于膛口流场的研究手段与方法都与国内相同，都是在CFD的基础上进行模型构建和数值分析的。然而侧重点略有不同，国外的研究更加偏重使数值模拟结果更加精确的实验目的，而国内比较偏重于模拟研究不同环境条件对膛口流场形成过程的影响。

Abdelhafidh Moumen[10]等人在今年三月发表于Journal of Visualization的文献研究了基于背景导向纹影技术的炮口流场可视化与分析的相关内容。Cayzac［11］的主要研究成果是基于二维Euler方程的基础上进行的，其研究重点集中在初始流场和制退器的问题上，同时还研究模拟了APFSDS穿甲弹［12］的运动过程以及脱壳任务的顺利实现，其中在研究内流场的时候主要采取的是一维的特征线计算。 Jiang等主要研究的是弹丸运动过程中摩擦力对其造成的影响，使用的计算机模拟仿真条件包括二维Euler和动边界，其实验研究的主要重点在于对初始条件[13]的研究中主要涉及到的是摩擦力的影响，根据绝热激波关系式假设初始激波在一个特殊的位置，摩擦力[14]的实现是通过调整弹体发射前后气体的压力比大小来完成的。Cler等[15]所做的研究是利用Galerkin的DGM代码拟合分析一种不含弹体的膛口流场（7.62mm）的火药燃气变化过程，根据他们的研究结果，在对照预测结果和实际阴影结果之后发现火药燃烧之后产生的气体压力变化不符合预期结果。这样的实践报告也扩宽了一种研究思路，即将原有重要变量移除并对比分析的实验思路。 Dayan和Touati[16]所做的研究中，主要研究的内容是对比实际膛口测量值，流场数值和实验模拟的阴影结果的符合情况，采用了CFD-FASTRAN有限体积解算器计算IBHVG2软件包得到的弹底压力以及温度的相关数值条件下产生的膛内气体情况。

2.2国内研究

我国关于膛口流场以及尾翼稳定装置的可公开相关研究主要集中在高校及其学术期刊中，我国利用CFD软件对复杂的膛口流场进行研究的主要工作起步于20世纪九十年代，一些基础的理论和概念性的普及是在这之前就已经开始了的。近些年关于膛口流场模型的相关问题研究的方向越来越多样化，不再只集中于陆地战场的膛口流场模型讨论了，根据文献[17-20]可以发现，越来越多的膛口流场模型已经在结合水下等特殊作战环境进行研究。

2008年，任宪仁[17]利用FLUENT软件平台中的动态分层式的动网格方法，在自定义函数的支持下完成了对弹丸运动的边界定义以及规律探索。建立了一种尾翼模式为“前张后折”形式的弹丸的三维动网格的模型建立与讨论。在国内最新的关于膛口流场在不同发射环境下的模拟演变过程也有许多新进展，今年三月，张京辉，余永刚等人[18] 在北大核心期刊上发表了关于弹道枪水下全淹没式发射膛口流场的演化特性研究，他们的研究没有选择计算机模拟仿真的方式，而是在搭建一个真实水下射击平台的基础上进行实验，其实验结果的记录和分析采用的是高速摄像机直接摄影捕捉到的膛口流场动态变化情况。张旋，代淑兰等人[19]所做的也是水下枪械（12.7mm）的膛口流场数值模拟和测算，所用到的离散化方法是有限体积法，并采用动网格技术建立二位轴对称的仿真模型研究了膛内压力在受到水下较大阻力时的变化情况。由此可见，基于CFD的动网格技术已经在我国的流场研究领域占据了重要的地位。为了尽快适应新战场的技术要求，对于更先进的电磁轨道炮的膛口流场及参数研究也是很重要的。,陈亮，刘可可等人[20] 就在CFD的支持下基于N-S方程和Realizable k-ε湍流模型进行了电磁轨道炮口流场的仿真模型制作和研究,在该研究中使用到的控制弹体运动状态的方法是UDF法，需要模拟的是膛内和膛口流场的随时间变化特征，其中运动状态也是不同的。当下我国膛口流场的研究已经具备了一定的规模，CFD技术的进一步使用也为膛口流场的模拟研究提供了必要的辅助性支持手段。

参考文献

  1. 张培忠. 火炮物理模拟理论与试验技术研究[D].南京理工大学,2002.
  2. 张焕好,陈志华,姜孝海,韩珺礼.高速弹丸穿越不同制退器时的膛口流场波系结构研究[J].兵工学报,2012,33(05):623-629.
  3. 李洪志,高树滋.带膛口装置的膛口流场与冲击波形成机理[J].南京理工大学学报(自然科学版),1979(02):1-26 176-183.
  4. 王频. 尾翼弹稳定装置动力仿真及结构优化研究[D].沈阳理工大学,2015.
  5. 任宪仁,高修柱.弹尾翼稳定装置的气体动力学分析[J].安徽工业大学学报(自然科学版),2008(04):387-393.
  6. Jiang Z,Takayama K,Skews B W. Wave interactions following the emergence of a supersonic projectile from a tube [C]//17th International Symposium In Ballistic ,LD002 ,1998:9- 16.
  7. Zibarov A V, Babayev D B, Konstantinov P V. Numerical simulation of the finned projectile pass through two chamber muzzle brake[C]//The 21st International Symposium on Ballistics in Adelaide, South Australia from 19th April, 2004,1158- 1166.
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  10. Abdelhafidh Moumen, Jurgen Grossen, Irene Ndindabahizi, et al. Visualization and analysis of muzzle flow fields using the Background-Oriented Schlieren technique. 2020,:1-15.
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  14. 胡湘渝,张德良,姜宗林.气相爆轰基元反应模型数值模拟[J].空气动力学学报,2003(01):59-66.
  15. Cler Daniel L, Chevaugeon Nicolas, Shephard Mark S, et al. CFD application to gun muzzle blast-A validation case study[ A/R] . AIAA paper 2003-1142. In ： 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit [C/ CD] . Reno, Nevada,2003.
  16. Dayan Y, Touati D. Simulation of unsteady muzzle flow of a small-caliber gun[A] . In：RahmanM,Ed.AdvancesinFluidMechanicsVI[C] .Skiathos,Greece, UK： WTT Press,2006,165-174.
  17. REN xian-ren ,GAO xiu-zhu. aerodynamics analysis of cannonball　empennage stabilizing device [J]．Journal of Anhui university of technology, 2008２25(4)：387-393．(in Chinese)

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