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绳牵引并联支撑弹箭模型气动干扰特性分析.docx
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绳牵引并联支撑弹箭模型气动干扰特性分析.docx
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风洞试验是武器领域研制新型弹箭等飞行器必不可少的环节,其通过对安装在试验段内的
弹体模型进行吹风,利用测力天平、压力传感器等,可以有效获得模型的气动参数
[1]
。目前对
于弹箭模型的风洞试验所采用的模型支撑多是尾撑、侧撑和腹撑等传统硬式支撑,支架的存在
使模型绕流产生畸变,对流场产生一定的干扰,而且动态性能也受到一定限制。
基于并联机器人技术的绳牵引支撑方式为风洞试验提供了一种新型手段,具有绳系对模型
周围流场干扰相对小,动态性能好,容易拆装等显著优点
[2]
。目前绳牵引并联支撑主要应用于
低速风洞试验,如法国宇航研究局首次提出将绳牵引并联机器人技术应用于风洞试验,并建立
了低速风洞绳牵引并联支撑系统进行试验研究
[3-5]
。美国乔治亚大学针对一个长细比为 1.8∶1
的轴对称钝头弹体模型,采用绳牵引并联支撑进行了多种动态试验
[6-8]
。文献[9-10]构建了一套
八绳牵引的 6 自由度支撑机构,通过内置 6 分量天平,在低速风洞中进行了大量静态、动态试
验。
已有文献分析绳索支撑在低速风洞试验中的干扰,如王延奎等
[11]
对机身后体的 4 线、6 线
和 8 线支撑进行影响分析,干扰较小,但 6 线和 8 线的刚度和强度大于 4 线;胡静等
[12]
利用张
线悬挂支撑在风洞中进行滚转和偏航运动试验研究,8 根张线干扰较小,验证了张线系统的可
行性。在高速风洞试验应用方面,李强等
[13-15]
针对典型民机模型综合分析了尾支撑、腹支撑和
翼型截面条带支撑的干扰特性,Ma > 0.9 时,3 种支撑干扰均迅速增加,其中条带支撑干扰量
较小;于卫青等
[16]
探究了张线支撑弹箭模型在高速风洞应用的可行性,但由于试验条件的限
制,将后侧张线安装在突出的套筒上,使得张线干扰较大。从机构学角度分析,上述张线支撑
并非并联机器人机构形式,在模型的运动控制和稳定性分析方面,均与绳牵引并联支撑不同,
而且它只能进行有限的动态试验。综上所述,针对弹体模型,采用新型的绳牵引并联支撑方
式,有必要深入研究高速来流下系统的稳定性和气动干扰特性。
本文以 Basic Finner 弹体模型为例,对无绳系支撑和有绳系支撑的计算模型分别进行网格
划分;在 FLUENT 软件中计算后分析绳索在不同迎角和不同马赫数下对气动特性系数的干扰影
响,并分析了绳的直径、牵引点位置和牵引方式对气动特性的不同干扰;最后对系统进行稳定
性分析,验证数值模拟的合理性,为绳牵引布局方式提供数据支撑。
1. 绳牵引并联支撑方案
由绳牵引并联机器人基本理论可知
[17]
,绳索只能承受单向拉力,绳牵引并联机构通常采取
冗余驱动,即为实现 n 自由度运动至少需由 n+1 根绳牵引,否则需靠外力来维持系统稳定。经
由驱动系统/传动系统,通过对绳长的控制实现对模型位姿的调整。
为满足弹体模型的 6 自由度运动要求,这里拟采用 8 根绳牵引并联支撑方式,基于刚度稳
定性分析设置了以下 4 种支撑方案,但同时工作空间有所不同,所有支撑方案径向绳索均采用
45°对称布置,俯仰偏航空间对称;模型 2 为反向式布局,前端绳索向前牵引,轴向角度为
60°,后端绳索向后牵引,轴向角度 45°,绳直径为 1 mm;模型 3 的布局方式与模型 2 相同,
绳直径为 2 mm;模型 4 的牵引点位置与模型 2 相比,前侧绳索更靠前,后端则从弹翼前端牵
出,绳直径为 1 mm;模型 5 为交叉式布局,前端绳索向后牵引,轴向角度为 60°,后端向前
牵引,轴向角度为 60°,绳直径为 1 mm,见图 1。以上模型通过与无绳系支撑(模型 1)的气动
仿真结果进行对比,以探究影响规律。
图 1 不同并联支撑方案
Fig. 1 Different schemes of parallel suspension
下载: 全尺寸图片
2. 数值模型建立
2.1 控制方程与湍流模型
流体的控制方程主要有连续性方程、动量方程、能量守恒方程等,其通用形式为
[18]
:
$$ \frac{\partial(\rho \phi)}{\partial t}+\operatorname{div}(\rho u \phi)=\operatorname{div}(\mathit{\Gamma} \operatorname{grad} \phi)+S $$
(1)
式中:ϕ 为通用变量;Γ 为广义扩散系数;S 是广义源项。
因为 N-S 方程的不封闭性,通常引入湍流模型来进行方程组的封闭,模拟结果很大程度
上取决于湍流模型的准确度
[19]
。对于复杂流动,本文选用雷诺平均的方法使 N-S 方程不直接用
于小尺度模拟,其连续方程和动量方程分别为:
$$ \begin{gathered} \frac{\partial \rho}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x_{i}}\left(\rho u_{i}\right)=0 \\ \frac{\partial}{\partial t}\left(\rho
u_{i}\right)+\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\rho u_{j} u_{i}\right)=-\frac{\partial p}{\partial x_{i}}+\frac{\partial \sigma_{i j}}{\partial
x_{j}}+\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(-\rho u_{i}^{\prime} u_{j}^{\prime}\right) \end{gathered} $$
(2)
式中:u
i, j
为雷诺平均速度分量;u′
i, j
为脉动速度。
2.2 计算模型与网格划分
本文计算模型选用直径 D=45 mm 的 Basic Finner 模型,如图 2,细长比为 10,翼展为
135 mm,弹身长 450 mm,弹尾布置为十字形的 4 片弹翼,厚度 3.6 mm,弹头和弹翼前端为
R=0.18 mm 的倒角。
图 2 Basic-Finner 比例模型
Fig. 2 Basic-Finner scale model
下载: 全尺寸图片
图 3 流场非结构网格划分
Fig. 3 Unstructured mesh generation of flow field
下载: 全尺寸图片
在 ICEM 中划分网格,因弹箭头部由曲线组合而成,长径比大,故选择非结构网格进行划
分;建立长度和直径都是弹箭的长度和直径 10 倍的半圆柱体作为空间计算域来研究弹箭外流
场。对弹体表面和绳索网格进行加密,设第 1 层网格高度为 1×10
-5
m,边界层为 10 层,计算
所得壁面 Y
+
小于 10,符合 SST k-ω 模型的计算要求。因模型为轴对称模型且计算侧滑角为
0°,为节省计算量,取半模划分网格。
考虑计算成本,本文在保证网格质量的情况下经过试算后(见表 1)选择网格尺寸为边长 6
mm 的四面体网格进行划分,无绳索模型的网格总数约 70 万个,而有绳索模型网格的总数约
270 万个。
表 1 不同网格尺寸下的气动系数
Table 1 Aerodynamic coefficients at different size of grid
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