大长径比是未来杆式穿甲弹、常规制导火箭弹和导弹发展的重要特点[7],对火箭弹的气动数据的数值分析成为研究大长径比火箭弹的基础。
在1965年时,Beal[8]从力学的角度出发,把弹体简化成带有简单反馈控制系统的均匀简支梁,并且在尾部加载推力,利用振动理论得出弹箭的运动学模型;后来Reis和Sundberg[9]等人分别采用连续体模型和刚体模型作为研究方法;为了能更好的体现弹箭的实际情况,学者们开始对变质量、有湍流、柔性变形、非定常气动载荷、阵风及不定气流等更为复杂情况下弹箭进行研究。例如,在1994年Joshi[10]和2003年Ohshimaetal则把弹箭简化为变质量的均匀梁,并在此基础上研究了尾部推力对弹体振动带来的影响。83072
国内对于大长径比火箭弹的研究也愈加深入。在1998年时臧涛成[11]等把大长径比弹箭简化成细长弹性圆柱体,并在端部加载附加质量,接着分别推导分析了弹体横纵向的振动方程。2001年田晓丽[12]等在有限元模型的基础上,利用ANSYS软件对火箭弹进行模态研究,通过分析高速大长径比火箭弹的动态特性,得到了火箭弹的各阶模态,并将其结果与实测情况进行对比,验证了模型的合理性与计算的精确性。
对火箭弹的气动特性数值模拟即求解Navier-Stokes方程[13],建立适当的湍流模型以及提高计算格式的分辨率和计算效率,目前常用的模型有:Cebeci-Smith零方程模型、John-King半方程模型、Spart-Allarms一方程模型以及各种两方程模型。火箭弹外形较复杂,一般采用非结构化网格划分,可以比较合理地划分流场。非结构网格就是指这种网格单元和节点彼此没有固定的规律可循,其节点分布完全是任意的,相较于结构化网格,非结构化网格容易生成。其基本思想基于这样的假设: 任何空间区域都可以被四面体( 三维) 或三角形( 二维) 单元所填满,即任何空间区域都可以被四面体或三角形为单元的网格所划分。论文网
火箭弹长径比的增加给弹箭发射动力学和外弹道理论的研究带来了一些新的问题[14],如长径比增加会使弹体抗弯能力下降,轴向弯曲振动周期减小,不单在发射时会产生横向弯曲振动[15],以及由此所引起的对初始扰动的影响也不容忽视。事实上本课题将弹体作为刚体处理[16],这与实际情况有一定差距。随着流体力学理论的进一步发展和完善,对于大长径比火箭弹的气动特性的研究会更加合理,满足实际设计过程中日趋复杂的需求。