基于Fluent的MAF风洞标准实验模型研究

王新颖

（沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110168）

弹丸空气动力实验的方法有两种：

一是实弹实验方法，就是用实弹在真实条件下进行，如靶场实弹射击。这种实验结果较可靠，但需要花费大量的人力、物力和时间，而且在某些条件下，甚至不能采用这种方法。所以实弹实验，往往是在一系列的理论计算和用其他实验方法之后，即在研究的最后阶段如产品定型、编制射表时采用。

二是模型试验方法，就是用模型在与实验流动完全相似或部分相似的模拟流动中进行，模型的实验结果，能换算到实际情况上去，如风洞吹风实验、靶道设计实验等。这是一种比较经济有效的方法。

MAF风洞是一种超小型、暂冲式、超音速空气动力实验设备，该设备以超小型和高超音速为最大特色，其实验段几何尺寸较小，工作室是一个内部尺寸360 mm×226 mm×200 mm的直角箱，所需的试验模型相对较小，需采用模型实验方法进行空气动力试验。

故笔者基于相似原理，设计适合于此风洞的弹丸模型，应用Fluent软件进行仿真模拟，得出模拟数据与弹丸理论计算数据进行对比，为制作实验模型累积标准实验数据，为开设风洞测试基础技术研究实验提供理论参考。

1 相似理论的应用

相似流动是指两流动中，对应的物理量的大小成比例，对应向量在对应坐标中的方位相同，则此两流动成为相似流动。相似流动分为几何相似、运动相似、动力相似、热力相似这4类。

在弹丸空气动力试验中，要严格满足全部相似参数，将是非常困难的。因为模型流场和原型流场的气流参数组成的相似参数，只能满足部分相等。例如：为了满足Ma数相等，就很难满足Re数相等，除非采用特殊的实验手段。

实际上，上述相似参数并不是同等重要的，即影响流动的因素并非同时都起显著作用。在不同的绕流情况下，往往只有一种或两种相似判据起决定的作用，余者都可以忽略不计。因此在空气动力学试验中，只能做到部分相似，即保持对流场特性起决定作用的因素相似。

MAF风洞要求按马赫数和雷诺数设计模型，弹丸高速飞行或气流高速流动时，压缩性和粘性同时起主要作用，此时必须同时保证Re数和Ma数相等。但马赫数相似和雷诺数相似一般不能同时完全满足。这是因为

式中，

ν为速度；

l为尺度；

带“′”的为模型的值；

不带“′”的为实物的值。

通常在风洞中，若 Ma=Ma'，c=c'，则 ν= ν'。

由于 l≠ l'，所以 Re≠ Re'，就是说Ma和 Re不能同时相似。

所幸的是，研究表明，Re数大于临界值以后，Re数变化的影响，基本可以不用考虑，在条件许可的情况下，尽可能满足Ma数相似的要求即可。

所以，从弹丸空气动力学角度出发得出的结论是：在保证一定Re数的前提下，弹丸空气动力学实验中应保证长径比和Ma数相等。

2 实验相似模型仿真计算

基于相似分析，某口径弹丸将弹丸尺寸缩小为原尺寸的1/5进行模型仿真研究分析。

保持长径比原弹丸一致，弹丸模型长度129 mm，直径21.3 mm，头部圆弧半径292 mm。经计算尺寸缩小后，弹丸模型的Re数依然大于临界值，Re数变化的影响，基本可以不用考虑，故要求Ma数相等，即马赫数取为3。边界为360 mm×200 mm，入口边界条件选着为速度入口（Velocity inlet），出口边界条件设置为压力出口（pressure outlet），弹丸与支架固定不动，采用无滑移的壁面条件（wall），由于弹丸为轴对称的，设置中间的线为对称轴。仿真结果以阻力曲线图为例，如图1、图2所示。

图1 仿真云图

图2 阻力曲线图

将仿真结果与MAF风洞实验相比较，结果如表1所列。

表1 实验数据与仿真数据对比表

3 结束语

本文基于相似原理，设计适合于小型超音速风洞的实验弹丸模型，应用Fluent软件进行仿真模拟，得出模拟数据与风洞实验数据进行对比，得到模拟数据与实验数据的误差在15%以内，故在模型设计初期应用，首先应用Fluent软件进行仿真模拟是可行的，为实验模型的设计以及制作提供理论参考。

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