超声速旋转弹箭的阻力特性数值模拟研究(2)
的结合起来，可以精确预测复杂几何，单体及多体系统的气动力系数和流动现象。CFD 的解
决思路可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用
一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散
点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[2]
。计算流体
力学数值模拟与实验研究和理论分析方法共同构成了研究流体运动规律的三种主要方法。实
验方法的优点是结果精确可靠，但是常常需要投入巨大的人力物力，计算周期也很长；此外，
受到模型尺寸、测量精度、实验设备和扰动流场的制约，很多实验无法进行或者得不到很好
的结果。结果具有普遍性是理论分析方法的优势所在，不过该方法需要对模型进行简化抽象，
限制和要求很多。CFD 方法刚好可以弥补前两种方法的缺点，可以预测复杂的流体现象，节
约物质及时间成本。例如，YF-17 由美国 Northrop 公司研制，风洞试验总共进行了13,500 小
时， 但是后来在研制性能更加复杂的 YF-23 时， 风洞试验结合数值计算， 一共只进行了 5,500
小时，大大缩减了工作量，成本也降低很多，并且获得了很好的成果。由此，以计算流体力
学的基本理论为基础，出现了一批界面友好且计算精准的大型商业计算软件，诸如 FLUENT、
CFX、STAR-CD等，本论文采用的是FLUENT，它在美国的市场占有率高达60%，有着优越的
计算方法、完善的前后处理功能和较全的物理模型，在涡轮机设计，航空航天等多个领域使用广泛。
表 1.1取自参考文献[3]，采用三种方法预测了气动力系数误差。该数据表明，在一般情
况下，由弹道试验靶场获得的数据比由风洞和工程算法的得到的都要更精确。文献[4]采用了
CFD 数值模拟技术，比较了各种湍流模型的计算结果，可以看出数值模拟方法的精度较高，
是实验方法的良好辅助手段，且成本更低，耗时更短。本课题即是采用数值模拟方法对旋转
弹丸的气动特性进行研究，与其他两种方法进行对比分析，以验证数值模拟方法用于旋转弹
丸研究的可行性。1.2 国内外研究概况及未来发展趋势
1.2.1 国外发展概况
国外对该方面的研究很早就开始了，早在 20 世纪 50 年代，就用数值方法对无粘 Euler
方程组进行了求解，其中比较具有代表性的是，Courant 等人于 1952 年以及 Lax 和 Friedrichs
于 1954 年提出的一阶方法。对欧拉方程和N-S 方程进行数值求解之后，很多正确可行的算法
也随之出现了。例如，对高速旋转弹的数值模拟是 Pechier 于 1998 年进行的，研究发现当攻
角ɑ<15°时，有较好的数值模拟结果；2003 年，Silton 对旋转弹丸在马赫数 Ma=0.7~2.7，攻
角 0°，2°和 5°的不同情况，运用商业软件 CFD++进行了数值模拟，得到的升力系数、俯
仰力矩系数等气动参数的结果与实验得到的结果基本吻合，但马格努斯力和力矩的数值与实
验所得误差较大；同样运用商业软件 CFD++，Despirio 等人于 2004 年至 2007 年间，分别对
旋转弹丸 M910 绕流场进行数值模拟计算，得到了以下结论：马格努斯力矩的数据结果在采用
雷诺平均和大涡模拟混合模拟（RANS/LES）时与实验值误差最小，此外马格努斯力和力矩受弹丸靠近尾部区域的影响最大。
1.2.2 国内发展概况
与国外的发展相比，国内对 CFD 的研究起步比较晚，到八十年代初期，科学院及部分高
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