激波针气动特性及外形参数优化研究

采用钝头体的飞行器在超声速特别是高超声速条件下,其前缘会形成头部弓形激波,进而带来较大的波阻,严重影响飞行器的气动性能。相关研究表明,在高超声速条件下,钝前缘安装激波针可以将激波推离物面,从而减小头部表面压力,是减小超声速钝体阻力的有效方法,但在超声速,特别是一些巡航速度不高（马赫数Ma=1.5左右）的导弹中,为满足射程等相关要求,对激波针减阻的使用价值还有待进行验证。为了研究激波针在Ma=1.5条件下对轴对称钝锥外形气动特性的影响,通过数值模拟方法对比了不同形状激波针在Ma=1.5条件下的减阻效果,分析了减阻机理及外形参数影响;通过基于Kriging和遗传算法相结合的优化方法对主要外形参数进行了优化设计,给出了减阻效果较好的激波针外形参数选取范围,对工程应用具有一定的借鉴意义。     

弹箭尾翼气动减阻方法研究

为了增大尾翼弹弹道射程和打击范围,利用气动仿真与外弹道仿真计算相结合,分析了尾翼后掠角和斜切角对气动特性和弹道特性的影响。针对某六尾尾翼弹,利用气动仿真分析了后掠角和尾翼斜切角对阻力、升力、静稳定性和弹道特性的影响。仿真结果表明,尾翼产生的阻力占比较大,在一定范围内加大尾翼后掠角可有效减阻。当尾翼斜切角较小时,增大后掠角提高升力和静稳定性;当尾翼斜切角较大时,增大后掠角不一定可以提高升力和静稳定性。综合设计尾翼斜切角和后掠角以达到减阻效果时,需考虑尾翼前缘面积和迎风面与来流夹角。算例结果表明：40°尾翼后掠角和10°尾翼斜切角组合优化的条件下,阻力减小到原来的60%,最大射高提高了30%,射程提高了40%。     

火炮弹丸底凹结构流场仿真及其减阻机理分析

针对火炮弹丸底凹结构的减阻效果展开研究,基于 N －S 方程求解,得到了底凹弹弹丸在超声速流场条件下的绕流流场参数分布以及弹丸的气动阻力,讨论了不同底凹深度对弹丸流场、减阻效果的影响,分析了底凹结构减阻机理;研究发现：位于弹丸底部的回流流动对底凹结构的减阻效果起决定性作用;在超声速条件下,底凹结构越深,底凹弹气动阻力越小。     

跨声速运动对射弹阻力及空化特性的影响

为研究在跨声速运动过程中超空泡射弹的流体动力特性和流场的空化情况,基于流体体积分数多相流模型、Schnerr-Sauer 空化模型、Realizable k-ε湍流模型、Tait液体状态方程和运动框架模型构建了可压缩超空化流场的数值模型,通过与文献\[11\]试验结果进行对比,完成模型验证,采用数值方法模拟在马赫数为0.202~1.281速度范围内射弹的外流场。研究结果显示：跨声速运动过程中超空泡射弹的阻力系数与流场驻点的密度峰值有关,随速度的升高而显著增大;激波对弹体附近超空泡的形态和尺度有显著的影响,亚声速工况下超空泡尺寸与理论值接近并且受速度的影响很小,超声速工况下超空泡的尺寸随速度的增加而大幅度减小。研究结果对超空泡射弹的外形设计和弹道预报有参考价值。     

流动减阻技术机理与应用现状

针对阻力过大给飞行器带来的设计难度和使用成本问题,调研分析了当前减阻技术的流动机理与应用现状。结果表明,在减小激波阻力方面,主要将强激波变成弱激波系,或者优化压力分布,使总压差阻力最小;在减小摩擦阻力方面,在层流区通过维持最大表面积的顺压梯度延迟转捩,而在湍流区通过改变表面几何形态或者在流体中添加大分子物质,减弱湍流强度,以上分析可为低阻力气动外形设计方法的建立和发展提供了参考。     

后掠式栅格翼减阻机理及气动性能分析

以CFD为主要手段,开展了后掠式栅格翼减阻机理及气动性能分析研究。首先介绍了本文采用的数值模拟方法及网格技术,通过与风洞试验和文献值的对比,验证了栅格翼数值模拟方法的可靠性。在此基础上,开展了单栅格翼后掠减阻数值模拟研究,分析了栅格翼格片后掠减阻的机理,对比研究了格片后掠和前掠的减阻效果,获得了格片不同后掠角对栅格阻力的影响量,研究结果表明:栅格翼后掠、前掠均会使得栅格翼阻力明显减小,升阻比明显升高;随着格片后掠角的增大,栅格前缘激波角变小,激波强度逐渐减弱,波阻降低。最后,将"后掠减阻"概念应用到真实栅格翼构型中,通过整体后掠设计,实现了栅格翼跨声速阶段5%~7%的减阻效果。     

带激波针的高超声速飞行器多目标优化设计

为进一步提高激波针减阻和降热的效果,在i SIGHT优化平台的基础上,以阻力系数和热流最小为目标,对激波针外形进行了多目标优化设计,实现了整个优化流程的全自动进行。试验采用优化的拉丁超立方采样技术生成样本点,利用i SIGHT软件的集成功能,实现几何建模、网格划分、数值求解的自动化,并采用径向基神经网络建立近似模型。同时,使用NSGA-II算法进行多目标优化,获得了Pareto解集。最后通过对一个典型外形气动性能的数值求解,验证了此优化设计的优越性。     

某特殊结构枪弹气动外形与结构参数优化设计

针对枪弹弹头在稳定性、风偏敏感性以及穿甲能力条件下的外弹道设计问题,提出了一种气动外形与结构参数的优化设计方法。以类似美国M855枪弹的弹头结构为研究对象,将其分为铜质壳体、铅心及钢心3部分,以3种材质体积占比及弹头气动外形参数为优化设计变量,以横风风偏敏感性最小和穿甲厚度最大为优化目标,考虑外形参数、结构参数和稳定性等约束,建立了多目标优化设计数学模型,并采用标准粒子群算法获得全局最优解。仿真结果表明：优化后的气动外形和结构参数可确保弹头全弹道上满足动态稳定性要求;与初始方案相比,优化方案的弹头横风风偏敏感因子减小了16.4%,落点动能增大了18.2%,穿甲厚度提高了41.8%;与对比方案相比,优化方案的弹头在气动外形以及速度变化相同的情况下,结构参数的优化使弹丸穿甲能力提高了24.9%,同时获得了更好的稳定性,验证了本文所提优化设计方法的合理性与可行性。本文研究可为枪弹外弹道设计提供一个新的思路。     

螺旋型电磁炮高速射弹的气动特性研究

为研究螺旋型电磁炮射弹结构的气动阻力并探讨其减阻方案,采用ANSYS Fluent数值模拟了40 mm射弹高速飞行的气动特性,研究了马赫数、攻角对射弹阻力的影响规律,并通过弹体结构优化分析了其减阻效果。研究结果表明:电刷与轨道凹槽设计增加了射弹飞行阻力,其中定子电刷增阻作用最大;受弹体表面固有缺陷限制,增大射弹攻角后阻力系数与速度成正比,7 Ma条件下6°攻角与0°相比阻力系数提高了1倍;高压强梯度结合面圆角处理以及射弹底凹设计均可减阻,但前者的减阻效果更优。     

旋转稳定弹扰流片气动外形多目标优化设计

为提升旋转稳定弹的射击精度,将微型扰流片应用于旋转稳定弹,可以为弹丸提供侧向升力、改变弹体姿态,继而达到改变飞行轨迹的目的。通过数值模拟方法计算扰流片轴向力系数、法向力系数和静力矩系数,分析扰流片气动系数随外形参数和马赫数的变化规律,以及外形参数和马赫数对平衡攻角的影响;以扰流片主要外形参数为设计变量,以弹道修正量和终点存速为目标,考虑攻角、修正能力、扰流片尺寸等约束,建立多目标优化设计模型,并采用遗传算法获得全局最优解。结果表明：采用扰流片对弹丸进行姿态调整、弹道修正的方法可行有效;在亚跨声速段扰流片外形参数存在升阻比最优解,在超声速下升阻比随马赫数增加呈下降趋势。     

超音速单轨火箭滑橇气动特性数值模拟

基于三维粘性可压缩N-S方程以及k-ω湍流模型方程,分析了单火箭滑橇在超音速近地飞行时的气动特性.计算网格为三角形非结构网格和四边形结构网格组成的混合网格,采用有限体积法对微分方程进行离散,应用隐式耦合算法求解离散方程.数值模拟了速度及攻角变化对火箭滑橇气动特性的影响.结果表明,随着马赫数的增加,火箭弹头部表面压力升高;超音速飞行时,火箭弹头部产生激波;火箭滑橇阻力系数随着马赫数的增加,先增加后降低;在小的气动攻角条件下气动阻力和升力变化不大,而侧向力载荷随着气动功角的增加而增大.数值模拟结果为超音速单轨火箭滑橇设计提供了参考.     

微气泡与聚合物对水下航行体减阻特性影响试验研究

为研究微气泡与聚合物对水下航行体减阻特性影响,采用微孔材料并基于高速摄像系统和测力系统,针对微气泡与聚合物共同作用下水下航行体减阻特性开展水洞试验研究。基于高速摄像系统对比分析了不同速度和通气量下微气泡流形态变化规律;基于测力系统对比分析了微气泡和聚合物共同作用下航行体减阻特性变化规律。试验结果表明：采用微孔材料的航行体微气泡流均匀分布在航行体表面,模型尾部微气泡流上漂现象较为明显,且上漂的微气泡始终为离散形态;对于未通气状态下的聚合物减阻,在相同来流速度下,减阻效果随着聚合物浓度增加而增大,但存在聚合物饱和效应,且饱和聚合物浓度值随着来流速度增加而减小;聚合物和微气泡联合减阻效率大于单独一种减阻方式;在来流速度较小时,聚合物溶液减阻率随着通气量增加而逐渐增大,但随着聚合物溶液浓度增加,微气泡减阻率差异逐渐减小并最终趋于一致。     

孔状通气条件下潜射航行体流体动力特性研究

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS方程、SST湍流输运方程和各相之间的质量输运方程,开展了孔状通气条件下气—水—汽三相潜射航行体流体动力特性的三维数值模拟研究,对比分析了不同通气孔数量条件下空泡形态、航行体周向压力分布以及阻力变化情况。结果表明：随着通气孔数量的增加,单个孔形成的空泡尺度减小,空泡整体形态由离散分布逐渐融为一体;迎流面最大压力随通气孔数量增加基本呈减小趋势变化,表面压力沿牵连速度方向分布存在波动现象,并且具有一定的周期性;总阻力系数随通气孔数量增加而减小,通过增加通气孔数量有利于改善航行体的流体动力。     

药柱燃速对底排工作过程及底排弹射程影响的数值模拟

为了研究底排药柱燃速对底部排气弹底排装置工作过程和射程的影响,采用计算空气动力学和质点外弹道学耦合的方法求解底部排气弹的飞行弹道,研究了底部排气弹在整个减阻阶段底排装置工作参数、工作状态、底排流场等随时间的变化,分析了药柱燃速对底部排气弹工作过程和射程影响。结果表明:数值模拟结果与制式底部排气弹靶场试验结果吻合,说明建立的计算模型合理;燃速调整系数由0.8提高到1.2时,燃烧时间由36.8 s减少到18.4 s,射程由38.12 km下降到36.21 km,增程率由33.32%下降到26.64%;不同底排药柱燃速的底部排气弹在减阻阶段的排气参数均随时间的增加而呈先增大后减小的趋势;采用高燃速底排药柱的底部排气弹排气质量流率相对于低燃速的底部排气弹较大,但减阻效果并没有明显提高。     

高速旋转底部排气弹的三维流场数值模拟与分析

为研究高速旋转条件下底部排气弹的减阻特性,运用滑移网格技术进行底部排气弹三维流场的数值模拟。研究了不同转速条件下底部排气弹的减阻特性,分析了旋转效应对减阻性能的影响以及一定阻力系数下排气参数与弹丸转速的约束关系。研究结果表明：同一个排气参数下,阻力系数随转速增大而减小;同一个转速下,阻力系数随排气参数的增大呈现先减小、后增大的变化规律;高速旋转使得底部排气弹具有更好的减阻效果;减阻期望一定时,排气参数与弹丸转速呈现此消彼长的关系,对于确定转速的底部排气弹,存在着最优的排气参数。     

基于计算流体力学与质点弹道耦合的底部排气弹工作过程以及射程预示

基于计算流体力学的优点以及目前底部排气弹射程预示问题,采用计算空气动力学和质点外弹道学耦合的方法求解底部排气弹的飞行弹道,获得在整个减阻阶段底部排气弹底排装置工作参数、工作状态、底排流场等随时间的变化规律。研究结果表明：不同海拔发射的底部排气弹在减阻阶段的排气参数均随着时间的增加而呈增大的趋势,但在减阻末阶段,变化趋势变缓;随着海拔高度的增加,阻力系数随时间的增大而增加的趋势变得平缓,甚至会出现下降的趋势;在海拔0 km发射的底部排气弹在减阻阶段前期,底排装置以底排减阻模式工作,到减阻阶段中后期,底排装置的工作模式介于底排减阻模式和火箭增程模式之间。     

旋成体仿生凹坑表面流场控制减阻仿真分析

应用SST k-ω湍流模型对仿生凹坑表面旋成体与光滑旋成体进行了对比数值模拟,解释了仿生凹坑表面减小摩擦阻力和压差阻力的原因以及对旋成体近壁区边界层的控制行为。研究结果表明：来流马赫数为0.4时置于旋成体后部的凹坑表面减小了旋成体8.05%的摩擦阻力,1.9%的压差阻力,总阻力减小了6.24%;仿生凹坑表面通过减小壁面的速度梯度和湍流强度减小摩擦阻力,通过减弱外部气流对旋咸体截尾底部气流的抽吸作用减小底部阻力;凹坑表面对边界层的控制行为表现为凹坑内部的低速旋转气流造成了凹坑内部气流与凹坑外部气流的气一气接触,形成涡垫效应;同时,旋转气流在凹坑底部产生的摩擦阻力作为一种附加动力产生推动效应。     

Numerical Simulation on Flow Control for Drag Reduction of Revolution Body Using Dimpled Surface

Numerical simulation on the flow fields near the dimpled and the smooth revolution bodies are performed and compared by using SST k-ω turbulence model, to explain the reasons of friction and base drag reductions on the bionic dimpled surface and the control behaviors of dimpled surface to boundary layer near wall of the revolution body. The simulation results show that the dimpled surface reduces the skin friction drag through reducing the velocity gradient and turbulent intensity, and reduces the base drag through weakening the pumping action on the flow behind the revolution body caused by the external flow; the low speed rotating vortexes in the dimples segregate the external flow and the revolution body; and the low speed rotating vortexes forming in the bottom of dimples can produce negative skin friction.