張文銳,沈培輝

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

0 引言

穿甲彈是低空超低空防御很有效的工具,但是當(dāng)目標(biāo)幾何尺寸小飛行速度高時,直接命中的概率顯著降低,因此使用集束穿甲彈來提高命中率[1]。本集束彈為尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈,其包括3個彈芯外包3個卡瓣,在彈芯之間用內(nèi)彈托起支撐作用,在脫殼時其彈芯受到的彈托的徑向拉力不在像彈芯脫殼穿甲彈那樣均勻,容易引起彈芯飛行方向的偏離,因此需要通過調(diào)節(jié)前腔尺寸改變其氣動力來調(diào)節(jié)彈芯受力。

1 幾何模型的描述

文中以35mm彈為研究對象,分為有尾翼和無尾翼兩種情況,無尾翼彈采用二分之一模型,以節(jié)省計算量,在此基礎(chǔ)上,模型2前腔軸向加長3mm,模型3前腔加長6mm如圖4。計算域為一半徑3000mm的圓球,由于彈的尾流作用把彈放在圓球中間偏向前面,彈的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜使用四面體網(wǎng)格來劃分,圖 1～圖 3分別為彈的結(jié)構(gòu)圖與表面網(wǎng)格劃分圖。

圖4 模型 1、2、3

2 數(shù)學(xué)模型的描述

在彈前腔與彈帶處易形成渦流,故采用k-ε湍流模型。連續(xù)性方程為:

運動方程為:

k-ε兩方程湍流模型為:

式中:Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;cle、c2e、cμ為模型常數(shù) ;σk、σε是 k-ε方程的湍流能量普朗特常數(shù) 。取 c1e=1.44、c2e=1.92、cμ =0.09、σk=1.0、σε =0.3。

3 邊界條件設(shè)置

1)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,使用能量方程;

2)設(shè)置流體材料屬性,材料設(shè)為air,密度為ideal-gas,粘度選擇 suther-land。氣體粘度的 sutherland定律非常適合高速可壓縮流動;

3)壁面條件采用無滑移條件,使用壓力遠(yuǎn)場邊界條件;

4)收斂準(zhǔn)則設(shè)置阻力系數(shù)與升力系數(shù)監(jiān)視器[2]。

4 計算結(jié)果與分析

圖5分別為尾翼彈和無尾翼彈在0.6Ma下的速度梯度分布圖。

由于尾翼尺寸相對較小并未在其周圍形成強(qiáng)烈擾流,對流場的影響很小,由圖中可知氣流最大速度分別為247m/s和252m/s相差很小,且兩個流場的分布基本一致,所以可以考慮用無尾翼的彈來代替尾翼彈來減小計算量。

圖6為彈在0.6,1,2,3,4馬赫數(shù)下的阻力系數(shù)分布圖。

在0,1之間隨著馬赫數(shù)的增大,阻力系數(shù)變大,當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到臨界馬赫數(shù)時,彈頭開始出現(xiàn)激波,阻力系數(shù)急劇增大,在1到2Ma時達(dá)到最大值,當(dāng)馬赫數(shù)增大到一定數(shù)值時頭部激波變成附體激波,氣流經(jīng)激波的壓縮程度相對減弱,所以阻力系數(shù)開始下降[3-4]。圖 6變化趨勢合理可以用此方法對彈進(jìn)行氣動力分析。

圖7分別為0.6,1,2Ma下模型1的彈頭部分氣動力分布。

由圖7可知隨著速度的增加,前腔的受力明顯增加,同時在1Ma時在三個彈芯之間的空氣被強(qiáng)烈壓縮開始出現(xiàn)壓力集中現(xiàn)象,隨著中心壓縮空氣的向外流動,在相鄰兩個彈芯之間的壓力也隨之提高,在三個彈芯之間出現(xiàn)的向外的壓力集中現(xiàn)象有利于彈芯與內(nèi)彈托的分離。

圖7 模型1彈頭部在0.6～2Ma的壓力分布

圖8 分別為模型1,2,3在4Ma下前腔的壓力分布圖,圖9為各模型前腔壓力隨軸向分布。由圖中可知,模型1的壓力在0.077m之前維持在高位隨后急速下降。隨著前腔尺寸的變大,模型2,3壓力從最高值開始下降很快到某一值以后下降幅度減弱,然后又開始急速下降到最低值。三個模型最大壓力分別為2.46MPa, 2.46MPa,2.44MPa出現(xiàn)在三個彈芯之間,隨著氣流向外擴(kuò)散壓力值變小。由圖可知增大了前腔尺寸雖然前腔的壓力減小了,但是面積增大了總的受力還是增大的,所以可以通過改變前腔的尺寸來調(diào)節(jié)前腔的受力狀態(tài)、調(diào)節(jié)其脫殼姿態(tài)。

圖8 各模型在4ma下前腔壓力分布

圖9 各模型前腔壓力軸向分布

5 結(jié)論

新型集束穿甲彈可以提高射擊命中概率,但是其脫殼存在一些待解決問題。文中使用Fluent軟件對其氣動力進(jìn)行了仿真。進(jìn)一步討論了穿甲彈在出炮口狀態(tài)的前腔所受壓力分布,發(fā)現(xiàn)在三彈芯之間出現(xiàn)壓力集中,兩彈芯之間由于中心氣流的外泄壓力比別的地方稍高,前腔的壓力在腔的內(nèi)部最大,隨著氣流的外泄在腔的最外部壓力最小。

[1] 李向東,錢建平,曹兵.等.彈藥概論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[2] 于勇.Fluent入門與進(jìn)階教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.

[3] 浦發(fā),芮莜亭.外彈道學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1980.

[4] 沈仲書,劉亞飛.彈丸空氣動力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1983.