基于微泡的弹丸飞行稳定性研究毕业论文(编辑修改稿)

基于微泡的弹丸飞行稳定性研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

本章阐述了微气泡制动器的工作原理，确定了微气泡制动器的几何参数，选用了符合需求的硅酮橡胶作为微气泡致动器气泡外壳材料，采 用以表面加工为主的加工方法对微气泡致动器的工艺流程进行了设计。 对微气泡制动器阵列在弹体头锥上集成进行设计，并对其可行性进行了分析。 最后通过理论计算和数值仿真对微气泡致动器的薄膜在充气状态下的变形位移进行分析，得出了输入压力和薄膜几何外形与薄膜变形位移之间的关系。 第 3 章 修正弹绕流流场数值模拟分析 数值模拟方法 目前获得弹丸空气动力的方法有三种：风洞吹风法、计算法、射击试验法 [21]。 其中风洞实验法需要弹箭的缩比模型，吹风风洞，且根据风洞吹风的能力，只能获取有限个离散点的近似数据。 射击试验法 虽然包含了实际情况，所测得的气动力与弹箭实际飞行符合得很好，但射击试验必须在专门的靶场或靶道里进行。 二者需要耗费大量的财力物力。 目前随着计算机的发展以及现代流体力学的深入研究，计算流体力学得到长足的发展。 其应用空气流动所满足的 stoksNaver 方程、来流性质及弹箭外形的边界条件，采用有限差分或有限体积法，将流场分成许多网格进行数值积分运算，获得作用在弹表每一微元上的压强，再进行全弹积分求得各个气动力和气动力矩分量。 对于二维弹道修正弹这样外形复杂，扰流不明确的情况难以得到理论的解析 解。 实验研究方法的特定是结果可靠，但是实验研究需要场地、仪器和大量的经费，研究周期相对长 [22][23]。 因而数值模拟方法无疑是研究二维弹道修正弹空气特性的不二之选。 Fluent 软件简介 Fluent 是用于模拟具有复杂外形的流体流动及热传导的计算程序。 Fluent 软件采用 C/C++语言编写，从而提高了对计算机内存的利用率。 因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的求解控制都是可能的。 Fluent 具有以下功能及特点[24][25]： 1. 完全非结构化网格 Fluent 软件采用有限体积法的非结构化网格 方式，使其具有基于网格单元及网格节点的梯度型算法。 2. 先进的动 /变形网格技术 Fluent 在解决边界移动的问题时采用动网和滑移网格技术。 只要划分计算域的初始网格、设定运动边界条件，在随后的计算过程中网格变化完全由解算器自 动生成。 计 算中网格的动态变化过程可以用三种模型进行计算，即局部重划模型(local remeshing) 、动态分层模型 (dynamic layering)和弹簧近似光滑模型(springbased smoothing)。 其中局部网格重划法在三个模型中用途最为广泛，可用于处理变形较大的 问题、运动规律完全由流动所产生力而事先运动规律不确定的问题、非结构网格问题等，是 Fluent 流体力学软件所独有的。 3. 多网格支持功能 Fluent 软件具有强大的网格支持能力，不仅支持混合网格、动 /变形网格以及滑动网格还支持支持界面不连续的网格。 值得强调的是， Fluent 软件还拥有网格自适应技术，可在软件中自动加密计算表面的网格。 4. 多种数值算法 Fluent 软件采用有限体积法，提供了三种数值算法：耦合隐式算法、非耦合隐式算法、耦合显示算法，可适应于不可压、亚音速、跨音速、超音速乃至高超音速流动。 一 套基本的 Fluent 软件包含了两个部分，即 Gambit 和 Fluent。 Gambit 的主要功能是集合建模和网格划分， Fluent 的功能是流场的解算及后处理。 其中Gambit 拥有完整的建模手段，可以生成复杂的几何模型。 此外， Gambit 含有CAD/CAE 接口，可以方便地从其他 CAD/CAM 软件中导入建好的集合模型或网格； Fluent 解算功能的不断完善确保了 Fluent 对于不同的问题都可以得到很好的收敛性、稳定性和精度。 Fluent 具有强大的后置处理功能，能够完成 CFD 计算所要求的功能，其中包括速度等值线图、矢量 图、等值线面、流动轨迹图，并具有积分功能，可以求得力、力矩及其对应的力和力矩系数、流量等。 对于用户关心的参数和计算中的误差可以随时进行动态跟踪显示。 对于非定常计算， Fluent提供非常强大的动画制作功能，在迭代过程中将所模拟非定常现象的整个过程记录成动画文件，供后续的分析演示。 它们之间的关系如图 所示。 本文主要应用 GAMBIT， FLUENT 两个模块。 首先利用 Pro/e 进行流动区域几何形状的建立 ； 然后利用 GAMBIT 进行网格的生成以及边界类型的设定，输出后导入 FLUENT； 最后利用 FLUENT 求解器对流 动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。 GA MB I T 设置几何形状生成2 D 或 3 D 网格FL UE NT 网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理其他软件包如CAD 、 CAET Gr id2 D 三角网格3 D 四面体网格2 D 和 3 D 混合网格几何形状或网格边界网格边界和网格网格2 D 或 3 D 网格 图 Fluent 软件包各模块之间的相互关系 流体力学基本方程 修正弹在外弹道飞行过程中药遵守物理守恒定律，这些定律主要包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。 如果流动涉及不同组分的混合或相互作用，还要遵守组分守恒定律。 在实际计算时，还要考虑不同的流态，如湍流呀遵守附加的湍流运输方程。 计算流体力学的基本方程是这些守恒定律的描述，下面详细介绍这些基本守恒定律对应的控制方程 [2630]。 （ NS 方程） 动量守恒方程是任何流动系统问题都必须遵循的基本定律。 其定律表述为：任何控制微元中流动动量对时间的变化率等于外界作用在微元上各力之和， 用数学式表示为： dtdvmF   () 由流体的黏性本构方程得到直角坐标系下的动量守恒方程， NS方程： )](3[)()()( zwyvxuuxzuuzyuuyxuuxxpFdtdu x   )](3[)()()( zwyvxuuxzuuzyuuyxuuxypFdtdv y   () )](3[)()()( zwyvxuuxzuuzyuuyxuuxxpFdtdw z   （连续性方程） 任何流体问题都要满足质量守恒方程，即连续性方程。 其定律表述为：在流场中任意取一个封闭的区域，此区域称作为控制体，其表面称作为控制面，单位时间内从控制面流进和流出控制体的流体质量之差，等于在单位时间内该控制体质量增量，其积分形式为： 0 Av o ldAdx dy dzt  () 式中， vol 表示控制体； A 表示控制面。 第一项表 示控制体内部质量增量，第二项表示通过控制面的净通量。 上式在直角坐标系中的微分形式如下： 0)()()(  zwy vxut  () 其适用范围没有固定的限制，无论是黏性或无黏性流体，可压缩或不可压缩流体，定常或非定常流动都可以适用。 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须遵循的基本定律，其本质是热力学第一定律。 依据能量守恒定律，微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流通量加上表面力与质量力对微元体所做的功，可得其表达式为：   hj e f fjje f f SuJhTkpEutE    )()()(   () 式中， E 为流体微团的总能 )/( kgJ ，包含动能、势能和内能之和，22uPhE ，h 为焓 )/( kgJ ，为组分的焓，定义为 dTCh TTref jpj  , ，其中 KTref  ；为有效热传导系数，为湍流热传导系数 )/(( KmW  ， teff kkk  ， tk 根据所用的湍流模型确定； jJ 为组分 j 的扩散通量； hS 为包括了化学反应热及其他用户定义的体积热源项。 当前工程研究领域有多种湍流模型，如 SpalartAllamaras 模型、标准 kε模型， RNG kε 湍流模型等。 其中，标准 kε 模型因其在保证一 定准确度的情况下计算量较小而应用非常普遍，但是由于简化也使其应用收到一定限制，特别是对于较复杂的流动，很多情况下都必须对其 进行修正才能应用。 1993 年对 k 模型进行了改进，提出了 “Renormalization Group Method” 的方法，即 RNG 模型。 RNG 在形式上与标准 kε 模型相似，但在如下几方面作了改进 :首先该模型  方程中存在的附加项增强了对迅速变形的流动预示的准确性；其次， RNG 模型 中还包含了漩涡对湍流流动的影响，使得该模型对漩涡流动预示的准确性也得到了提高。 RNG 模型还采用了解析表达式计算湍流普朗特数，比标准 k 模型中采用用户定义常量要准确。 另外， RNG 模型采用严格推导的微分公式求解有效粘性，与高雷诺数的标准 k 模型相比，这种方法对低雷诺数流动中的湍流效应也能较好地模拟。 以上特征使得 RNG k 模型能模拟比标准k 模型 更广范围地湍流流动，并且更准确可靠。 本文在计算中采用了这种湍流模型， 如式 和。 kMbkje f fkjii SYGGxkxkuxkt     )()( （ ）   SRkCGCGkCxxuxt bje f fjii    2231 )()()( () 式中： kG — 由层流速度梯度而产生的湍流动能； bG — 由浮力而产生的湍流动能； MY — 在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动； 1C 、 2C 、 3C — 常数； k 、  — k方程和 ε 方程中的湍流普朗特数； kS 、 S — 用户定义的源项。 模型中的常数分别取： 1C =； 2C =。 弹道修正弹气动模型建立 修正弹的三维实体模型 本设计以某型炮弹为背景，建立了 头锥内集成微气泡阵列的弹丸 模型，外形如图 ，同时计算仿真了不同炮弹弹形的绕流流场，并进行了对比分析，以期获得 制动弹 弹形的变化对弹丸气动特性的影响。 图 制动弹 外形图 物理模型网格的划分 网格划分选择专用的 CFD 前置处理器 Gambit，其划分网格后的模型如图 所示。 图 是 弹丸表面网格 ，由于弹体结构较复杂，所以在 GAMBIT 中选用非结构网格对 流场进行划分。 制动弹丸的头部 用混合网格划分，并且要在此特殊部位加密网格，而外流场采用圆柱体区域，圆柱体的半径为 10 倍弹径，前端距离炮弹顶部为 5 倍的弹长，后端距离炮弹底部的距离为 3 倍的弹长。 空间网格的划分采用 四 面体网格。 外流场的网格划分比较稀疏，可以减小仿真计算的时间；而弹 丸 的网格划分比较密，特别是在 头锥部 ，可以提高仿真结果的准确度。 图 流场网格划分图 图 弹丸表面网格图 基于 Fluent 的计算方法 (1) 弹丸在大气中飞行，选取计算域 边界条件为压力远场 (passfarfiled),计算域 流体物质为理想空气 (ideagas)：气压： 101325P Pa 温度： T K 密度：  kg/m3。 (2) 制动弹要求弹体头锥部微气泡制动器部分，在修正控制时相对地面静止，而弹体后部要求旋转保持弹丸稳定， 壁面选择条件：弹丸头锥部单独定义为静止物体 Stationary Wall、表面无滑移 壁面粗糙度选择 ，弹体后部相对弹轴 绝对旋转 Moving Wall、选取绝对坐标系： Absolute、表面无滑移 壁面粗糙度选择。 (3) 选择耦合求解方式，由于本文是结构网格，数值计算中差分格式选取三阶迎风格式及 QUIK 迎风格式仿真计算。 (4) 求解时设置压力项的松弛因子为 、湍动能与湍流耗散率项的松弛因子为、密度与质量力项为 1。 (5) 收敛准则以差分方程表示的连续方程两边的计算差小于 为基准。 仿真分析条件 主要通过以下几个方面来进行运动仿真分析： （ 1）来流马赫数为 : 、 、 、 ； （ 2）弹丸攻角为： 0176。 、 2176。 、 5176。 、 8176。 、 10176。 、 12176。 ； （ 3） 气泡长度为 ： 20mm、 30mm、 40mm； （ 4） 气泡宽度为 ： 、 2mm、 ； （ 5） 气泡高度 为： 、 1mm、 ； （ 6） 气泡个数 为： 8； 制动弹绕流流场数值模拟 空气的流动状态一般难以直接观察，采用 Fluen。