針對大長細(xì)比火箭在超聲速條件下的氣動彈性問題,開展了Fluent仿真計算與理論分析研究。首先,對未變形的火箭進行Fluent仿真計算,得到相應(yīng)的箭體氣動參數(shù);其次,通過模態(tài)分析,獲取變形后火箭外形進行氣動仿真計算,獲得變形后的箭體氣動參數(shù);最后,通過Fluent計算結(jié)果分析氣動彈性變形對氣動參數(shù)的影響,并結(jié)合伯德圖分析結(jié)果,說明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對變形箭體彈性振動的主動抑制。研究結(jié)果表明,彈性變形導(dǎo)致箭體的軸向力系數(shù)、法向力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)的最大變化量分別為-15.59%、10.34%和16.91%,彈體壓心最大前移量為13.4%,氣彈性系數(shù)D1i、D2i和D3i最大變化量分別為20.4%、16.4%和15.2%。 

【文章來源】：固體火箭技術(shù). 2020,43(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

箭體結(jié)構(gòu)與氣動外形

利用ICEM CFD對上述理論化模型進行網(wǎng)格劃分。其中，尾部流場區(qū)域選取箭體參考長度的7.5倍左右，頭部區(qū)域選取箭體參考長度3.75倍左右，徑向外流場取箭體參考長度的3倍左右(圖2)。在Fluent中設(shè)置了壁面函數(shù)，在劃分網(wǎng)格之前根據(jù)相似型號的工程經(jīng)驗確定第一層網(wǎng)格的厚度值(商業(yè)上可以用Pointwise與CFD-online計算yplus值，從而確定第一層網(wǎng)格厚度值。k-ε模型的yplus值為30～300之間)。本文的首層網(wǎng)格的厚度值設(shè)置為1 mm，附面層的厚度為15 mm，網(wǎng)格的厚度增長率取1.1(圖3)。網(wǎng)格的無關(guān)性是通過對比多個設(shè)計師的仿真計算結(jié)果，確認(rèn)網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量不影響氣動參數(shù)的計算精度。圖3 尾翼位置的局部網(wǎng)格及邊界層網(wǎng)格示意圖

圖2 未變形箭體的ICEMCF氣動網(wǎng)格劃分氣動計算的控制方程為雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方程，空間離散格式為一階迎風(fēng)格式，采用雙時間步推進進行求解。通過k-ε湍流模型和壁面函數(shù)法求解近壁面處邊界層，遠場邊界條件為壓力遠場，箭體壁面邊界條件為無滑移壁面。在開展箭體的氣動參數(shù)仿真計算時，單個狀態(tài)的計算需要迭代到5000步。針對高超聲速狀態(tài)，需要選取不同的Courant數(shù)，其默認(rèn)值是5。在實際計算中，初始Courant設(shè)置為1，逐步增加為3、5、10，每次增加Courant參數(shù)后，在上一步計算結(jié)果的基礎(chǔ)上重新進行氣動仿真計算。每個Case的工況由馬赫數(shù)、大氣壓共同決定。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]高超聲速飛行器空氣舵系統(tǒng)耦合特性分析及顫振抑制研究[J]. 丁偉濤,吳志剛,黃玉平,楊超,李建明.  導(dǎo)彈與航天運載技術(shù). 2019(01)
[2]考慮參數(shù)攝動的飛行器氣動伺服彈性魯棒穩(wěn)定性分析研究[J]. 惠俊鵬,楊超.  導(dǎo)彈與航天運載技術(shù). 2015(06)
[3]超音速導(dǎo)彈彈翼結(jié)構(gòu)的氣動熱彈性分析[J]. 劉立剛,周凌,孫輝.  四川兵工學(xué)報. 2015(05)
[4]氣動伺服彈性研究的進展與挑戰(zhàn)[J]. 楊超,黃超,吳志剛,唐長紅.  航空學(xué)報. 2015(04)
[5]柔性彈箭飛行力學(xué)建模研究[J]. 何斌,芮筱亭,陸毓琪.  彈道學(xué)報. 2006(01)
[6]空氣動力和姿控發(fā)動機推力復(fù)合控制的彈體數(shù)學(xué)模型建立[J]. 鄭勇斌,王俊學(xué),郭大勇.  現(xiàn)代防御技術(shù). 2005(06)
[7]火箭彈控制系統(tǒng)與彈體發(fā)生彈性耦合的條件分析[J]. 朱伯立,楊樹興,胡勇.  北京理工大學(xué)學(xué)報. 2004(07)
[8]柔體彈道中彈軸運動微分方程組[J]. 王良明.  彈道學(xué)報. 2000(01)

碩士論文
[1]大長徑比彈箭彈性變形的數(shù)值模擬及其氣動特性研究[D]. 楊國良.南京理工大學(xué) 2014



本文編號：3103033