[发明专利]一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法

说明书

本发明属于旋转弹空气动力学技术领域，具体涉及一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其基于弹外形模型，生成球型流场网格，将网格分为内域和外域，在交界面上，插值传递数据；使用整体计算域进行定常状态绕流场计算，流场收敛后，以定常绕流场参数作为多轴角运动模拟的初始流场；针对内域网格开展多轴角运动建模，得到不同时刻内域网格节点坐标；实现多轴角运动模拟，进行非定常绕流场计算。实现流场的模拟，通过滑移网格技术和网格动态运动技术实现运动的模拟。本发明解决了多轴角运动建模、复杂运动网格实现、复杂运动绕流模拟等难点问题，梳理了多轴角运动模拟流程，为工程应用提供参考。

技术领域

本发明属于旋转弹空气动力学技术领域，具体涉及一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法。

背景技术

低成本制导弹箭采用绕自身纵轴旋转的飞行方式来简化控制系统，通过单通道实现俯仰和偏航控制，同时减小由质量、推力、气动等偏心效应引起的弹道散布。然而，当轴对称弹箭以一定攻角旋转飞行时，由于弹体转速和横流的联合作用，绕流结构不再关于攻角平面对称，会诱导附加的侧向力和偏航力矩，称为马格努斯效应。尽管侧向力仅为法向力的1/100-1/10，但偏航力矩总使弹体摆出攻角平面，是破坏飞行稳定的因素。此外，弹箭在飞行中受到扰动作用，会产生弹轴绕速度矢量的画圆运动，表现为进动、章动、锥动。将弹箭的一系列绕轴转动统称为多轴角运动。多轴角运动会导致弹箭阻力增大、射程缩短、散布加大、甚至失稳。

在目前的空气动力学研究中，数值模拟工作基本针对单自由度旋转运动展开，获取了旋成体光弹身、翼身组合体、鸭舵-弹身-尾翼组合体外形诱导马格努斯效应的流动机理，主要包括边界层位移厚度非对称畸变、非对称流动分离、非对称转捩、前体背风面非对称后脱涡对尾翼的冲击、弹身对翼根流动的阻滞效应、鸭舵洗流干扰等等。并未涉及弹箭多轴角运动的数值模拟工作。在目前的飞行稳定性研究中，气动特性作为外部载荷通常由线性或三次方非线性气动模型给出，即气动特性通常为定常状态或仅做旋转运动时的结果，并没有考虑多轴角运动的影响，与实际飞行过程仍有差距。

由于侧向力和偏航力矩为小量，如何获取精确的侧向力和偏航力矩是相关研究发展亟待克服的困难。目前工程上一般利用飞行试验或风洞试验的方法进行研究，难以保证精度；而已有的数值研究中，弹箭通常仅做旋转运动，多轴角运动过程的数值模拟仍具有较高的难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供了一种适用于旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，解决了多轴角运动建模、复杂运动网格实现、复杂运动绕流模拟等难点问题，梳理了多轴角运动模拟流程，便于工程应用。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其包括如下步骤：

步骤一：基于旋转弹外形模型，生成一套球型流场网格，将网格分为内域和外域，在内、外域的交界面上，通过滑移网格技术插值传递数据；

步骤二：根据飞行条件，使用整体计算域进行定常状态绕流场计算，待流场收敛后，以定常绕流场参数作为多轴角运动模拟的初始流场；

步骤三：针对内域网格开展多轴角运动建模，根据初始飞行姿态通过坐标变换，得到不同时刻内域网格节点坐标；

步骤四：基于网格动态运动技术，实现多轴角运动非定常模拟计算；通过求解流体控制方程实现流场的模拟；通过内域网格运动实现运动的模拟；

步骤五：达到模拟终止条件，终止计算。

其中，所述步骤一中，所述内域、外域网格的交界面网格尺寸一致。

其中，所述步骤一中，在旋转弹壁面附近需保证第一层网格高度。

其中，所述步骤一中，使用的网格划分工具包括Gambit、ICEM、Pointwise、HyperMesh。