一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法技术

本发明专利技术属于旋转弹空气动力学技术领域，具体涉及一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其基于弹外形模型，生成球型流场网格，将网格分为内域和外域，在交界面上，插值传递数据；使用整体计算域进行定常状态绕流场计算，流场收敛后，以定常绕流场参数作为多轴角运动模拟的初始流场；针对内域网格开展多轴角运动建模，得到不同时刻内域网格节点坐标；实现多轴角运动模拟，进行非定常绕流场计算。实现流场的模拟，通过滑移网格技术和网格动态运动技术实现运动的模拟。本发明专利技术解决了多轴角运动建模、复杂运动网格实现、复杂运动绕流模拟等难点问题，梳理了多轴角运动模拟流程，为工程应用提供参考。供参考。供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法


[0001]本专利技术属于旋转弹空气动力学
，具体涉及一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]低成本制导弹箭采用绕自身纵轴旋转的飞行方式来简化控制系统，通过单通道实现俯仰和偏航控制，同时减小由质量、推力、气动等偏心效应引起的弹道散布。然而，当轴对称弹箭以一定攻角旋转飞行时，由于弹体转速和横流的联合作用，绕流结构不再关于攻角平面对称，会诱导附加的侧向力和偏航力矩，称为马格努斯效应。尽管侧向力仅为法向力的1/100
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1/10，但偏航力矩总使弹体摆出攻角平面，是破坏飞行稳定的因素。此外，弹箭在飞行中受到扰动作用，会产生弹轴绕速度矢量的画圆运动，表现为进动、章动、锥动。将弹箭的一系列绕轴转动统称为多轴角运动。多轴角运动会导致弹箭阻力增大、射程缩短、散布加大、甚至失稳。
[0003]在目前的空气动力学研究中，数值模拟工作基本针对单自由度旋转运动展开，获取了旋成体光弹身、翼身组合体、鸭舵
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弹身
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尾翼组合体外形诱导马格努斯效应的流动机理，主要包括边界层位移厚度非对称畸变、非对称流动分离、非对称转捩、前体背风面非对称后脱涡对尾翼的冲击、弹身对翼根流动的阻滞效应、鸭舵洗流干扰等等。并未涉及弹箭多轴角运动的数值模拟工作。在目前的飞行稳定性研究中，气动特性作为外部载荷通常由线性或三次方非线性气动模型给出，即气动特性通常为定常状态或仅做旋转运动时的结果，并没有考虑多轴角运动的影响，与实际飞行过程仍有差距。
>[0004]由于侧向力和偏航力矩为小量，如何获取精确的侧向力和偏航力矩是相关研究发展亟待克服的困难。目前工程上一般利用飞行试验或风洞试验的方法进行研究，难以保证精度；而已有的数值研究中，弹箭通常仅做旋转运动，多轴角运动过程的数值模拟仍具有较高的难度。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本专利技术要解决的技术问题是：如何提供了一种适用于旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，解决了多轴角运动建模、复杂运动网格实现、复杂运动绕流模拟等难点问题，梳理了多轴角运动模拟流程，便于工程应用。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其包括如下步骤：
[0009]步骤一：基于旋转弹外形模型，生成一套球型流场网格，将网格分为内域和外域，在内、外域的交界面上，通过滑移网格技术插值传递数据；
[0010]步骤二：根据飞行条件，使用整体计算域进行定常状态绕流场计算，待流场收敛
后，以定常绕流场参数作为多轴角运动模拟的初始流场；
[0011]步骤三：针对内域网格开展多轴角运动建模，根据初始飞行姿态通过坐标变换，得到不同时刻内域网格节点坐标；
[0012]步骤四：基于网格动态运动技术，实现多轴角运动非定常模拟计算；通过求解流体控制方程实现流场的模拟；通过内域网格运动实现运动的模拟；
[0013]步骤五：达到模拟终止条件，终止计算。
[0014]其中，所述步骤一中，所述内域、外域网格的交界面网格尺寸一致。
[0015]其中，所述步骤一中，在旋转弹壁面附近需保证第一层网格高度。
[0016]其中，所述步骤一中，使用的网格划分工具包括Gambit、ICEM、Pointwise、HyperMesh。
[0017]其中，所述步骤一中，划分的网格为六面体结构网格。
[0018]其中，所述步骤二中，所述流体控制方程为雷诺平均N
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S方程，采用定常算法，获取不同飞行条件下的定常绕流场。
[0019]其中，所述步骤二中，所使用的求解器包括Fluent、CFD++、CFX。
[0020]其中，所述步骤三中，根据初始飞行姿态，针对内域网格开展多轴角运动的数学建模，涉及运动在惯性坐标系、准弹体坐标系、弹体坐标系、章动坐标系、进动坐标系之间的复合变换，以获取不同时刻的内域网格节点坐标。
[0021]其中，所述步骤四中，使用网格动态运动技术时，根据多轴角运动的数学模型编写自定义程序，同时将内域网格节点坐标初值单独存储，并在每个计算时间步骤反复调用，实现运动的模拟，进一步结合非定常雷诺平均N
‑
S方程模拟复杂运动绕流场。
[0022]其中，所述方法解决了多轴角运动建模、复杂运动网格实现、复杂运动绕流模拟的难点问题，梳理了多轴角运动模拟流程，便于工程应用。
[0023](三)有益效果
[0024]与现有技术相比较，本专利技术的有益效果：
[0025](1)与传统方法中使用定常计算或单自由度旋转计算获取弹箭气动特性的处理方法相比，本专利技术创新性地采用了多轴角运动建模的方法，即针对内域网格(包含弹体表面节点坐标)，根据初始飞行姿态进行坐标变换，得到不同时刻内域网格节点坐标，从而获取了表征多轴角运动的数学模型，更加接近实际飞行过程中的运动特征。
[0026](2)在多轴角运动模拟计算中，使用网格动态运动技术，一方面将多轴角运动的数学模型编写自定义程序，另一方面将内域网格节点坐标初值单独存储并在每个计算时间步反复调用，从而实现运动的模拟。解决了多轴角运动建模、复杂运动网格实现、复杂运动绕流模拟等难点问题，梳理了多轴角运动模拟流程，为工程应用提供参照。
附图说明
[0027]图1为旋转弹多轴角运动模拟流程图；
[0028]图2为流场空间网格与计算域划分图；
[0029]图3为多轴角运动数学模型图；
[0030]图4为多轴角运动数学模型程序化流程图；
[0031]图5
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1及图5
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2为弹轴在弹体横截面内的运动轨迹示意图；
[0032]图5
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1为不同进动角时的弹轴轨迹示意图；图5
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2为不同进动转速时的弹轴轨迹示意图。
[0033]图6
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1及图6
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2为弹箭瞬态气动力系数曲线图。
[0034]图6
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1为瞬态法向力系数示意图。图6
‑
2为瞬态侧向力系数示意图。
具体实施方式
[0035]为使本专利技术的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。
[0036]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其包括如下步骤：
[0037]步骤一：基于旋转弹外形模型，生成一套球型流场网格，将网格分为内域和外域，在内、外域的交界面上，通过滑移网格技术插值传递数据；
[0038]步骤二：根据飞行条件，使用整体计算域进行定常状态绕流场计算，待流场收敛后，以定常绕流场参数作为多轴角运动模拟的初始流场；
[0039]步骤三：针对内域网格开展多轴角运动建模，根据初始飞行姿态通过坐标变换，得到不同时刻内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其特征在于，其包括如下步骤：步骤一：基于旋转弹外形模型，生成一套球型流场网格，将网格分为内域和外域，在内、外域的交界面上，通过滑移网格技术插值传递数据；步骤二：根据飞行条件，使用整体计算域进行定常状态绕流场计算，待流场收敛后，以定常绕流场参数作为多轴角运动模拟的初始流场；步骤三：针对内域网格开展多轴角运动建模，根据初始飞行姿态通过坐标变换，得到不同时刻内域网格节点坐标；步骤四：基于网格动态运动技术，实现多轴角运动非定常模拟计算；通过求解流体控制方程实现流场的模拟；通过内域网格运动实现运动的模拟；步骤五：达到模拟终止条件，终止计算。2.如权利要求1所述的旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤一中，所述内域、外域网格的交界面网格尺寸一致。3.如权利要求2所述的旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤一中，在旋转弹壁面附近需保证第一层网格高度。4.如权利要求3所述的旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤一中，使用的网格划分工具包括Gambit、ICEM、Pointwise、HyperMesh。5.如权利要求4所述的旋转弹多轴角运动的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤一中，划分的网格为六面体结构网格...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹晋涛，蒋胜矩，石永彬，童静，卜月鹏，张阳，
申请(专利权)人：西安现代控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：