基于CFD的靶机外挂曳光管气动特性研究_陈亚洲.pdf

基金项目:国家自然科学基金资助(62003368)收稿日期:20210310修回日期:20210319第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02001504基于 CFD 的靶机外挂曳光管气动特性研究陈亚洲1，焦阳1，李哲2，韩林军1(1中国人民解放军 95821 部队，甘肃酒泉 735000;2空军工程大学航空工程学院，陕西西安 710038)摘要:亚音速靶机机体上挂载曳光管增强其红外特性，以满足其作为地空导弹武器系统性能验证的载体需求。不同的挂载方式会对靶机气动特性产生严重影响，限制了靶机的使用。以某型亚音速靶机为研究对象，采用计算流体力学的方法，对曳光管不同挂载方式下靶机气动特性进行分析，研究不同高度条件下曳光管挂载前后、不同挂载数量、不同挂载方式下靶机气动特性的变化规律，从而获取曳光管最优挂载方式。研究结果表明:靶机挂载曳光管后其气动阻力显著增加，且气动阻力随着曳光管挂载数量的增加而增大，翼尖挂载对靶机气动阻力的影响小于翼下挂载。上述研究结果能够为靶机挂载曳光管等外挂设备提供一定的理论指导和数据支撑。关键词:靶机;曳光管;计算流体力学;气动特性中图分类号:V211.59文献标识码:BInvestigation Study Onthe on Aerodynamic Characteristicsof the External Tracer for Target Aircraft Based onComputational Fluid DynamicCHEN Yazhou1，JIAO Yang1，LI Zhe2，HAN Linjun1(1Unit 95821 of PLA，Jiuquan Gansu 735000，China;2School of Aeronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi an Shanxi 710038，China)ABSTACT:In order to meet its carrier requirements for the performance qualification of groundtoair missileweapon system，the tracer was is often mounted on the subsonic target aircraft to enhance its infrared radiation char-acteristics The way that how to mount the tracer has a great influence on the aerodynamic characteristics of the targetaircraft，which poses restrictions for its widely application In this study，a kind of subsonic aircraft was taken as theresearch objective，and the computational fluid dynamics method was employed to analyze the aerodynamic character-istics of the target aircraft with external tracer using different mounting ways The aerodynamic characteristicsevolution mechanisms of the target aircraft with or without external tracer under different altitude were investigatedMoreover，the influences of the number and mounting way of tracer on the aerodynamic characteristics were also stud-ied The results show that mounting the tracer could can significantly increase the aerodynamic resistance of the targetaircraft，and the aerodynamic resistance increases with the increase of the number for the tracer In comparison to theunderwing，mounting the tracer on the wingtip has a less influence on the aerodynamic resistance of the target aircraftAll the results in this study can provide theoretical guidance and data support for the mount of mission equipment oftarget aircraftKEYWODS:Target aircraft;Tracer;Computational fluid dynamic;Aerodynamic characteristics511引言靶机作为一种动态实物航空模拟器，在地空导弹武器系统靶场试验中扮演着“蓝军”角色，广泛应用于地空导弹武器系统性能试验、鉴定、效能评估，以及部队作战训练和演习演练任务1。在控制试验成本的前提下，为了满足于试验需求，靶机普遍采用小尺寸、轻质量设计，因此其红外特性较弱，与真实目标差距较大，难以满足红外制导武器系统试验、靶场光学测量设备试验需求，需采取一定技术手段对靶机的红外特性进行增强。在靶机上加装红外喷灯和红外曳光管是两种常用的红外特性增强技术23，例如诺斯罗普公司通过在其研制的 Chukar 靶机上采用红外喷灯的方式加装红外拖靶，以改善其红外特性;南京航空航天大学无人机研发团队则在“长空”系列靶机上加装曳光管，以增强靶机红外特性，上述两种技术均是采用燃烧法增加靶机的总体红外辐射特性，均取得了不错的效果，得到了广泛应用。在靶机上挂载曳光管，虽然可以有效增强其红外特性，但曳光管的挂载会对靶机的气动特性产生影响4，直接影响靶机的飞行速度。因此，本文采用计算流体力学(Computational Fluid Dy-namics，CFD)方法，对曳光管不同挂载方式下靶机气动特性进行分析，研究不同高度条件下曳光管挂载前后、不同挂载数量、不同挂载方式下靶机气动特性的变化规律，从而获取曳光管最优挂载方式，为靶机挂载曳光管等外挂设备提供一定的理论指导和数据支撑。2靶机三维建模与网格划分目前靶场靶机挂载曳光管后一般只进行靶机重心测量和推力线调整，对靶机气动特性一般不做测试。若进行风洞实验分析气动特性需要耗费较大的经费，若不进行气动特性分析，难以确定亚音速靶机挂载曳光管最佳方式，无法使亚音速靶机挂载曳光管后飞行性能最优。CFD 是现代流体力学的一个重要的分支，它融合了流体力学、计算数学、计算机科学等多种学科，发展成为一门新兴学科5。CFD 与传统的风洞实验相比，不仅提高了设计效率，缩短了研制周期，节约了研制成本，而且解决了以往风洞实验、飞行试验无法模拟的难题6。本文通过 CFD 方法计算不同曳光管挂载方式对亚音速靶机阻力和平飞速度的影响程度，为合理确定曳光管挂载方式提供理论依据。在利用 CFD 方法计算时，首先，建立亚音速靶机三维几何模型，然后，对几何模型进行网格划分，最后，求解该模型的纳维斯托克斯(NS)方程。2.1靶机三维几何模型建立本研究以国产某型亚音速靶机为研究对象，该靶机机长4.14m，翼展 1.732m，机翼面积 0.8m2;曳光管直径 61mm，长度 267mm，为减小曳光管风阻，在曳光管头部加装 65mm 长的椭球形整流罩，曳光管挂载在机翼下距机身 10cm 处。在建立飞机表面几何模型时，主要采用 CATIA 中的创成式外形设计方法，其中曲面设计运用了多截面曲面、桥接曲面、填充曲面等。根据亚音速靶机外形和曳光管外形数据，建立了 1:1 比例的 CATIA 模型，如图 1 所示。本文主要研究曳光管不同挂载数量和挂载方式对亚音速靶机飞行阻力及平飞速度的影响，以靶场试验任务中常见的左右各挂载 1 枚和 4 枚曳光管、挂载方式为翼下和翼尖作为输入条件对不同条件下靶机的气动特性进行研究。图 1靶机挂载曳光管 CATIA 模型2.2几何模型的网格划分网格划分的质量会对 CFD 精度和速度产生至关重要的影响7。Pointwise 是一款采用 Tex 网格技术对非常复杂图 2亚音速靶机挂载曳光管剖面网格的几何模块快速生成具有边界层的体网格，且其边界层向主流区的网格均匀过渡的软件8。采用 Pointwise 软件直接读取亚音速靶机三维 CATIA 模型并进行网格划分，其剖面网格如图 2 所示。为保证网格质量，需要细化处理影响气动特性的关键部位，从图 2 中可以看出机翼附近网格细密，网格质量好，而机身位置物理量变化不大，为了节约计算时间只进行了粗化处理。亚音速靶机流动左右对称，故采用半模计算方法，剖面网格图中红色为四面体网格，蓝色为棱柱网格，绿色为表面网格，黄色为五面体网格。为说明网格疏密对数值模拟结果的影响，构建了密、中、疏三套网格进行无关性验61证，以气动力量值作为网格无关判定依据。当半模网格总量约为 230 万时，与风洞试验数据相比较，数值计算的结果能够保持较高精度，且能保证近壁面 y+1。3流场的求解3.1控制方程不考虑体积力及外部热源，直角坐标系下三维非定常可压缩纳维斯托克斯(NS)方程组为Qt+(F Fv)x+(G Gv)y+(H Hv)z=0(1)其中Q=uvwe，F=uu2+puvuwuhtG=vvuv2+pvwvht，H=wwuwvw2+pwhtFv=0 xxxyxzuxx+vxy+wxz+kTx Gv=0yxyyyzuyx+vyy+wyz+kTy Hv=0zxzyzzuzx+vzy+wzz+kTz 式中 Q 为守恒变量，F、G、H 分别为直角坐标系下 x，y，z 三个方向上的无粘通量，Fv、Gv、Hv分别对应三个方向粘性通量。为密度，p 为压力，T 为温度，u、v、w 为对应的速度分量。粘性应力 ij(i=x，y，z;j=x，y，z)为黏性应力张量的分量，e 为单位质量气体总内能，ht为单位质量气体总焓，k 为流体的传热系数。为使方程封闭，引入理想气体状态方程。压力 p 可通过该方程计算得到p=T=(1)e 12(u2+v2+w2)(2)其中 为等熵指数(绝热指数)，为气体常数。3.2数值计算方法与可信度验证CFD 计算的核心便是对 NS 方程的求解9，通过网格划分将流场空间进行离散化处理，将偏微分方程转化为代数方程组。NS 控制方程的离散和求解大致有三种方法，分别是有限差分法、有限元法和有限体积法。本文采用有限体积法进行求解，基于雷诺平均(ANS)方法对进行挂载曳光管的亚音速靶机进行了气动力计算，其中湍流模型采用 kSST 模型。采用 ANSYS Fluent 软件进行流场计算。Fluent 软件是一款优异的 CFD 求解器，在飞行器空气动力学领域得到了广泛的应用10。在使用 Fluent 软件进行求解时还需要进行一些关键的模型和边界条件的设置，本文采用理想气体模型进行定常稳态求解，同时设置远场边界条件和压力出口边界条件。为验证模型的可靠性，将亚音速靶机空载状态下的Fluent 计算结果与亚音速靶机设计时风洞实验的结果进行了对比。亚音速靶机在平飞状态下迎角|一般不超过 6，在小迎角情况下(|6)，阻力系数 CD可以表示为 CD