膛线沟槽对小口径弹体流场的影响分析*

赵 缧,董富强

(中国白城兵器试验中心, 吉林白城 137001)

膛线沟槽对小口径弹体流场的影响分析*

赵 缧,董富强

(中国白城兵器试验中心, 吉林白城 137001)

早期弹体滚转力矩和马格努斯效应数值计算中多采用简化弹体模型,没有考虑膛线沟槽的影响。但对小口径弹体而言,分析亚音速条件下膛线沟槽的影响对弹道计算至关重要。文中采用Fluent[1]软件对不同攻角和不同滚转速度的流场进行计算,对比光滑弹体和带沟槽弹体的流场差异,得到膛线沟槽对流场的影响规律。分析发现膛线沟槽使得滚转力矩和马格努斯力矩减小。结论认为弹体上的膛线沟槽影响较大,需要在实际工程计算中给予考虑。

马格努斯效应;滚转阻尼力矩;膛线沟槽;弹道

0 引言

现代弹体在飞行过程中为维持稳定,常采用绕弹体轴线滚转的方式来增强弹体稳定性。这会导致马格努斯效应的产生。然而常规小口径弹体的高速旋转特性使得相关数值难以从试验获取。随着现代数值计算技术的发展,数值计算成为预测马格努斯效应的一种有效的替代方法。

弹体在枪管中会受到膛线的挤压,在弹体表面挤压出多条规则的绕体沟槽:膛线沟槽。过去的数值计算过程中为简化弹体模型,通常会忽略膛线沟槽。S.I.Silton[2]对某12.7 mm枪弹进行计算时就没有考虑膛线沟槽的影响,结果证明计算获得的马格努斯力、力矩和滚转阻尼力矩与试验结果相差较大。

对大型炮弹而言,膛线沟槽只会存在于弹带上,其尺寸大小相对整体结构影响不大,可以忽略。而小口径枪弹上的膛线沟槽跨度较长,需要对其影响进行分析研究。

1 弹体流场的基本状态

在进行数值计算前,需要提前获知弹体流场的基本形态。试验中发现马格努斯效应在弹道下降段较为明显,在该段的速度为亚音速。国外研究马格努斯效应时多集中在超音速阶段进行分析。所以考虑来流速度为0.6Ma进行计算分析。Lamont P.J[3]等人通过低速测压实验发现尖顶细长旋成体的边界层状态可以分成层流区、转捩区和湍流区3个区。当雷诺数Re≤0.2×106时旋成体处于层流分离区。这里计算的最大雷诺数不超过106,因此可以认定弹体表面处于层流状态。

当弹体高速滚转时,边界层将在原有对称流场上发生畸变。顺风侧边界层速度增大,压力减小;而逆风侧边界层速度减小,压力增加。弹体顺风侧和逆风侧的位置定义如图1所示。

图1 弹体两侧示意图

2 计算过程

弹体模型参考M33型普通弹。设定两种基本计算模型:1)光滑弹体;2)带膛线沟槽的弹体。两种弹体外形分别如图2和图3所示。

图2 光滑弹体

图3 带膛线沟槽弹体

其中弹体上膛线沟槽的尺寸设定为:缠度381 mm,镶入量0.25 mm,宽度2.24 mm,沟槽数为6根。

采用ICEM分别对两种模型进行网格划分,其中光滑弹体为控制单位数,采用结构化网格划分,网格单元数为30万;带膛线沟槽弹体考虑沟槽的复杂性,选用非结构化网格进行划分,需要对沟槽处网格进行加密,表面最小单元尺寸为0.1 μm,网格单元数为78万。

考虑弹体底部的绕流比较复杂,所以计算湍流模型仍选用RNG k-epsilon。当来流速度为0.6Ma时,对应的弹体标准转速为3 374 rad/s。为分析膛线沟槽在不同转速条件下的影响,需要分别对3种不同弹体滚转速度进行流场计算。3种滚转速度分别为:1 500 rad/s、3 374 rad/s、6 000 rad/s。根据计算结果分别分析膛线沟槽对滚转力矩和马格努斯效应的影响。

3 弹体沟槽对流场的影响

3.1 对滚转力矩的影响

根据不同攻角流场对比分析,认为弹体的滚转力矩系数Cl由两部分组成:压力造成的滚转力矩系数Clp和粘性作用造成的滚转力矩系数Cl0。其中光滑弹体上压力和粘性造成的滚转力矩系数随攻角变化曲线如图4和图5所示。

图4 光滑体Clp-α曲线

图5 光滑体Cl0-α曲线

图中3条线分别代表3种不同弹体滚转速度下滚转力矩系数随攻角的变化情况。虽然随弹体攻角的增加,压力造成的滚转力矩系数在不断上升,但量值较小。主要原因是由于弹体表面光滑,压力滚转力矩无周向力的承载面。所以粘性滚转力矩是光滑弹体滚转力矩的主要组成部分。弹体滚转力矩随转速的增加而增加,但随攻角增加保持不变。

膛线沟槽弹体上压力和粘性作用造成的滚转力矩系数在不同转速下随攻角变化的曲线分别如图6和图7所示。

图6 沟槽体Clp-α曲线

图7 沟槽体Cl0-α曲线

相比光滑弹体而言,带膛线沟槽弹体的压力滚转力矩数值较大,且为负值。随攻角的增加,负向压力滚转力矩系数也在增加。粘性作用的滚转力矩系数虽然随着攻角的增加有较小的增大,但增大量相比压力滚转力矩系数的变化量较小。所以弹体的整体滚转力矩出现随攻角的增加而不断减小的现象。

Paul Weinacht[4]在对某20 mm口径的弹药进行分析时发现:当来流速度为2Ma且转速较低时,膛线沟槽会造成滚转力矩系数减小。造成该现象的主要原因完全可以从压力分布曲线图中得以证明。

3.2 对马格努斯力矩的影响

数值计算得到侧向力系数沿弹体轴线的分布曲线如图8所示。从图中曲线可见马格努斯力系数在弹体尾部数值最大,所以确定弹体尾部是马格努斯效应的主控部位。

图8 Cy-X/D曲线分布图

图上虚线为光滑弹体得到侧向力系数沿弹体轴线的分布,实线为带沟槽弹体得到侧向力系数沿弹体轴线的分布。对应的压力截面在弹体上的分布如图9所示。

图9 截面分布图

如对弹体质心力矩积分可以得到马格努斯力矩系数,对比发现膛线沟槽弹体的马格努斯力矩系数相比光滑体有所减小,主要原因是膛线沟槽的存在使得弹体尾部侧向力系数有所减小。

两种弹体模型的前端侧向力系数分布曲线基本相同。膛线沟槽弹体和光滑弹体某对应截面流线分布如图10和图11所示,滚转方向为图示逆时针方

图10 沟槽体流场分布图

图11 光滑体流场分布图向。根据该图可知膛线沟槽会形成局部涡,这会减小流场在逆风侧边界层上速度梯度。从截面流场图也可以发现局部涡使弹体两侧趋于对称。同时由于沟槽处形成的附体涡会传递到弹尾锥光滑处,也会使该部位的马格努斯力减小。这将导致整体马格努斯力矩系数减弱。James DeSpirito和Karen R.Heavey[5]在计算研究某25 mm穿甲弹时不考虑局部产生的附体涡会导致马格努斯力矩系数的计算值偏大。

4 结论

在亚音速条件下小口径弹体的沟槽会使弹体表面的粘性滚转力矩系数略有增加,但沟槽上压力形成的负向滚转力矩系数使整体滚转力矩系数相比光滑弹体有所减小。同时膛线沟槽弹体的滚转力矩系数会随着攻角的增加而减小,而在光滑弹体上无法观察到这一现象。

弹体上膛线沟槽会在局部位置上产生涡,传递到弹体尾锥时会减小弹体尾锥上的侧向力系数。导致膛线沟槽弹体的马格努斯力矩系数相比光滑弹体有所减弱。由于膛线沟槽无论是对滚转力矩系数还是马格努斯效应都有重大影响,所以在工程计算中考虑小口径枪弹上膛线沟槽带来的影响。

[1] ANSYS, Inc. ANSYS FLUENT User’s Guide [M]. Release 14. 0. 2011.

[2] S I Silton. Navier-Stokes computations for a spinning projectile from subsonic to supersonic speeds [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2005, 42(2).

[3] Lamont P J. The effect of reynolds number on normal and side forces on ogive-cylinders at high incidence, AIAA-85-1799 [R]. 1985.

[4] Paul Weinacht. Validation and prediction of the effect of rifling grooves on small-caliber ammunition performance [C]∥ AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, 2006.

[5] Jmaes DeSpirito, Karen R Heavey. CFD computation of magnus moment and roll damping moment of a spinning projectile [C]∥ AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit, 2004.

Analysis about Rifling Grooves of Small-caliber Ammunition on theFlow Field

ZHAO Lei,DONG Fuqiang

(Baicheng Ordnance Test Center of China, Jilin Baicheng 137001, China)

In previous studies, rifling grooves generally ignored in simplified model of ammunition when calculating Magnus effect and rolling moment of ammunition. However, due to high requirement trajectory of small caliber ammunition, effect of rifling grooves should be studied. With the help of Fluent software, the effect of rifling groove on flow field over small caliber ammunition by comparing CFD results of smooth bullet and rifling grooves bullet. Flow fields for three different angles of attack and three different rolling rates were studied. Results show that the rolling moment and Magnus moment of the bullet smaller if the effect of rifling grooves considered. So the effect of rifling grooves should be considered in practical engineering calculation.

magnus effect; roll damping moment; rifling groove; trajectory

2014-07-18

赵缧(1984-),男,重庆人,工程师,硕士,研究方向:外弹道计算、弹体流场数值计算研究。

TJ012.3

A