计算流体力学大作业

精品-可编辑-南京理工大学动力工程学院计算流体力学大作业题目基于Fluent的小口径炮弹流体动力学分析专业姓名学号电话成绩教师评语：精品-可编辑-年月日精品-可编辑-基于Fluent的小口径炮弹流体动力学分析摘要小口径火炮武器系统广泛应用于陆军、海军和空军，用于野战防空、要地防空、舰船防空和飞机空中近距格斗。本文以小口径炮弹为研究对象，对其进行了飞行过程中的流体动力学分析，对其控制方程进行了分析，最后利用ANSYS软件的Fluent模块对其在来流马赫数为2.5，迎角为5度的情况时的空气绕流情况进行了仿真分析，得到了炮弹的阻力系数和升力系数变换图、速度矢量图、流线绕流图和弹的压力分布图，并对所得到的结果进行了分析，得出了一些结论。这对以后小口径炮弹的改进有很大的帮助。关键词：小口径火炮仿真Fluent1、引言小口径速射火炮是抗击中低空飞机、直升机、巡航导弹、战役战术导弹的重要武器装备，是形成弹幕、终端毁伤来袭武器以保卫重要目标的最后一道屏障。随着战场条件和目标特性的变化，对近程防空反导武器提出了新的需求，在国内外现有小口径速射火炮武器系统的基础上，分析高射速发射火炮武器系统的特点，分析炮弹在出炮口后的飞行流体动力学特性有非常重要的意义。小口径速射火炮【1】，涵盖23mm、25mm、30mm、35mm、37mm等口径，发射方式涵盖转管发射（多管转管自动机、多转管自动机共架）、转膛发射、双管联动、并行发射及电控串行发射（“金属风暴”）等。随着技术的进步，小口径速射火炮性能突飞猛进，瞬时射速达到几万～几十万发/min。其中，射速为1000～8000发/min的小口径火炮发射、弹药技术等技术群称为“高射速发射技术”；而发射速度达到8000发/min以上的小口径火炮发射技术、弹药技精品-可编辑-术等技术群则称为“超高射速发射技术”。高射速发射技术，由小口径火炮武器系统的雷达、光电等传感器跟踪来袭目标，计算机解算，指挥火炮，发射密集弹丸形成弹幕，击落穿过中远程防空火力的“漏网者”，有效保卫重要目标、战略要地、机动部队和二次打击能力，是抗击巡航导弹、空地导弹、反舰导弹、制导炸弹以及无人飞机等攻击的有效屏障。在近年来的历次防空反导作战中都发挥了重要作用。1973年10月的第4次中东战争，以色列共损失飞机120架，其中被23mm高炮武器系统击落的占55%，在埃军突破“巴列夫”防线的一次战斗中，前3小时以军飞机就被埃军23mm高炮击落18架。1982年英阿马岛战争中，马岛阿方的地面防空力量只有一个防空营，但它的30mm和40mm高炮却击落了英军11架飞机，占英军损失飞机总数的32%。1998年12月17日，美英对伊拉克又发动了代号为“沙漠之狐”的空中打击，美军在头两天即发射了305枚巡航导弹，但其中的77枚被23mm高炮武器系统的密集炮火击落实践表明，小口径速射火炮在未来的信息化战争中，大有用武之地，是陆海空三军和二炮的必须装备。根据小口径速射火炮武器系统不断扩展的应用范围，需要加强应用基础的研究，促进自主创新；需要新的理论支持，推动炮口流场理论发展；开发智能化供输弹、补弹技术，提高持续射击时间；开发大威力、全天候传感器，网络化传感器，提高传感器威力。未来战争，小口径速射火炮武器系统打击、毁伤目标的种类、性能都有较大发展。相应地，其预警、跟踪、瞄准、毁伤等性能必须有较大的飞跃，才能适应“建设信息化部队，打赢信息化军队”战略目标的需要。而对小口径炮弹进行空气动力学分析，对以后的改进有很大的帮助。精品-可编辑-2、物理模型本文研究的小口径速射炮弹模型如下图所示，弹头母线为圆弧，船尾角为8度，为了求解方便将炮弹做了如下假设：炮弹是无尾翼的，出炮口后不考虑旋转，由于炮弹的流场是三维的、有粘的，来流速度大部分为超音速的，因此采用理想可压缩气体模型，为了简化计算采用层流模型，控制方程采用无量纲N-S方程，流动为定常流动。以上工作均在软件中设置完成。图1平面图图2三维图3、控制方程在Fluent中设置求解器为耦合可压缩模型，这个模型是专门用来求解高速可压缩流体N-S方程的。主要用到的控制方程有：精品-可编辑-质量守恒方程：0udivtp（1）式中矢量符号：zwyvxuudiv（2）动量守恒方程【2】：wvuSwzpzwwywvxwutwSvypzvwyvvxvutvSuxpzuwyuvxuutu222（3）式中符号uS、vS、和wS是动量守恒方程的广义源项。能量守恒方程：TpSgradTckdivuTdivtT（4）式中，pc是比热容，T为温度，k为流体的传热系数，TS为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，grad（）=zyx()()()。由于是定常流动，所以0()t。4、数值计算方法对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解的。但由于所处理的问题自身的复杂性，一般很难得到方程的真解。因此，需要通过数值方法把计算域内有限数量位置上的因变量当作基本未知量来处理，从而建立方程，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值【3】。精品-可编辑-有限体积法【4】是计算域划分为一系列的控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程。它是目前CFD应用最广的一种方法。使用有限体积法建立离散方程，很重要的一步是将控制体积界面上的物理量及其导数通过节点物理量差值求出。常用的离散格式有中心差分格式、一阶迎风格式、指数格式、二阶迎风格式和QUICK格式。本模型用的是二阶迎风格式【5】。5、边界条件边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。本文的边界条件为，静压为1个大气压，物面上边界条件为绝热，对速度取无滑移边界条件。为了保证计算的精度，采用结构网格划分求解区域。初始条件的给定是不能随意的，不然有可能造成大的偏差，对于本文来说，速度、压强、密度和温度的初始条件给定为常数，即等于来流条件。轴向流动边界【6】：iiAxrAvdxdR11（5）横向流动边界：)cos(2vr（6）6、数值计算结果及分析本文主要研究小口径炮弹在非旋转条件下，不同马赫数下弹丸的空气动力特性，主要分析其外部绕流。Ma=2.5，攻角为5度是的流场分析精品-可编辑-由于本文是分析炮弹的外部绕流，所以要建立计算域，建立计算域后，对其进行网格划分，其结果如下图所示。图3计算域网格划分图4计算域内部网格网格划分好后，其扭曲度只有0.6，小于0.66，说明网格划分并不好，这是由于电脑内存不足的原因，无法改变，但勉强也还可用。将网格划分好，并将精品-可编辑-边界条件设置好后，对其进行求解，求解到120步左右时，计算就达到收敛准则了，如下图所示。图5通过对阻力系数和升力系数的检测，我们可得到小口径炮弹的阻力系数和升力系数变换图，如下图所示：图6阻力系数图精品-可编辑-图7升力系数图从上图可看出，阻力系数和升力系数在几十步后可使稳定，阻力系数稳定在0.35左右，升力系数稳定在0.29左右。计算完成后，对其结果进行后处理，本文中使用ANSYSWorkbench中的后处理模块进行后处理【7】，得到了XY平面和XZ平面的速度矢量图，如下图所示。图8XY平面速度矢量图精品-可编辑-图9XZ平面速度矢量图通过速度矢量图，我们可以看出速度矢量在弹头部有一个明显下降，然后在船尾处有一个明显增强，从而，我们可以知道在弹头处和船尾处形成了激波。在炮弹底部，可看到速度明显低于弹头和船尾处速度，形成了回流，甚至形成了真空区，从而此处会有压强差，从而会产生底部阻力。另外，再利用Workbench得到了小口径炮弹的三维流线图和弹体的压力云图和密度等值线图如下图所示。精品-可编辑-图10三维流线图图11压力云图精品-可编辑-图12密度等值线图由上图可看出，弹头部受到的压力较大，所以我们在设计弹体外壳时，要充分考虑到弹头部的受压能力。从图12可看出，弹头部和船尾部其密度都有较大改变，从此图，我们可推测在这两个位置，形成了激波，从而导致了空气密度有较大的改变。7、结论本文对小口径炮弹射出后的流场的空气动力特性进行了分析与研究，主要得到了以下结论：1、超声速来流会在锥头部产生一道脱体激波，在椎体与圆柱体转折处一般会产生一道斜激波，在弹尾，空腔的气流与绕炮弹壳体的来流相汇，形成尾迹，弹尾有时会有回流产生。2、炮弹阻力主要来源于头部所产生的波阻和弹的底部产生的底阻。3、弹头部受到的压力最大，设计弹体时要考虑弹头的受压能力。精品-可编辑-虽然在这次仿真中，我们得到了一些有用的结论，但不得不承认，这里面还有一些不足需要我们改进。首先，我们的假设有一些不符合实际情况，如认为弹是无旋的，环境为标准大气压下；另外，由于用的电脑为自己的笔记本电脑，在画网格时可能画的不是很好，以至于影响了结果。最后，感谢任登凤老师的悉心教导，通过您的课程，我学到了很多东西，掌握了流体动力学分析的基础理论，对Fluent软件也有了一定的了解，这对我以后的学习和生活帮助很大。参考文献[1]朱森元.小口径速射火炮武器系统发展展望[J].兵工自动化，2008，27（6）：1-8.[2]钱翼稷.空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.9[3]姜根柱.固冲增程炮弹内外流场统一计算研究[D].南京：南京理工大学硕士论文[4]有限元法[M][5]江春波，张永良，丁则平.计算流体力学[M].中国电力出版社精品-可编辑-[6]臧国才，李树常.弹箭空气动力学[M].兵器工业出版社，1989.9[7]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYSWorkbench13.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.1