某型号制导航弹气动外形设计及机弹分离气动特性研究

论文摘要

航弹主要是在稠密的大气层中飞行,巡航马赫数一般在0.9附近。为适合跨音速飞行,弹身都设计成细长体,弹翼和尾翼都为小展弦比的薄翼。航弹外挂于飞机上时,处于飞机各点流速和流向均不相同的流场中,飞机的干扰流场对航弹有很大的影响。吊挂状态下航弹就会有初始升力,因此,在其投放时可能会造成与母机相撞的飞行事故。本文的主要目标是,设计某型号航弹的气动外形,使其更适合跨音速飞行,研究航弹投放过程的气动特性并确定航弹与母机分离的安全边界。 为了达到设计目标,以计算流体力学（CFD）数值模拟为理论依据,风洞试验和最终飞行试验相结合的方法,最终完成了型号的气动设计任务,并通过了飞行打靶试验的验证。在完成气动外形设计的数值模拟工作时,发展了以欧拉（Euler）方程计算初解,和以N-S（Navier-Stokes）方程求解最终解的混合解算器。在研究机弹分离工作时,又发展了一种适合导弹投放的CFD求解方法和动态网格技术,并成功应用于该型号的研制。 Euler方程的优点是计算速度快,缺点是忽略粘性。本文设计研发的某型号航弹的飞行马赫数为0.6-1.2,是属于亚跨超音速段,此时空气的粘性是不可以忽略的。因此,求解N-S方程是在所难免的。考虑到Euler方程解算器求解速度快而且所得到的解不会太差,因此可以将其计算得到的解作为N-S方程解算器的初解,好的初解有利于提高N-S方程解算器的收敛速度。以有限体积法为基础发展了一套基于高质量混合网格的Euler方程解算器,在Euler方程解算器基础上,采用Spalart-Allmaras湍流模型发展了一套基于混合网格的N-S方程解算器,并采用多种加速收敛措施和合适的耗散项模型,使得所发展的三维N-S方程解算器能够快速收敛而且稳定可靠。 本文成功地将数值计算和风洞试验有机结合应用于真实型号设计中。针对该型号航弹原始模型进行了多种工况精确的风洞试验,并对其中一些工况进行了相应的三维数值仿真,将计算结果与试验结果进行了比较,根据比较结果调整了三维N-S方程解算器的调节参数。最终确定了解算器的计算精度。有了大量的数值计算为依据,风洞试验只进行了必要的一些工况。数值计算指导了风洞试验的进行,风洞试验结果同时也验证了数值计算的方法和结果。 在研究机弹分离问题时,以三维非定常动态网格守恒型方程为控制方程,研究了基于非结构化网格的动态网格技术。外挂物投放时,外挂物的运动轨迹事先不确知,而且运动范围较大。在非结构网格基础上发展了弹簧式光顺法和局部网格重构法两种动态网格变形技术,同时结合六自由度运动轨迹计算方程,发展成外挂物投放二维、

论文目录

• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 航弹气动外形设计及投放问题数值模拟研究现状
• 1.2.2 计算流体动力学数值模拟的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及创新点
• 1.3.1 本文的主要研究内容
• 1.3.2 本文的主要创新点
• 第二章 航弹气动设计的总体方案
• 2.1 引言
• 2.2 气动设计的要求
• 2.2.1 气动外形设计原则
• 2.2.2 气动特性预测准确度
• 2.2.3 气动设计的步骤
• 2.3 部件气动外形设计
• 2.3.1 翼剖面（翼型）的选择
• 2.3.2 翼平面的选择
• 2.3.3 平尾的选择
• 2.3.4 立尾的选择
• 2.4 弹身气动外形设计
• 2.5 操纵面气动设计
• 2.5.1 操纵面的分类
• 2.5.2 操纵面设计
• 2.5.3 铰链轴位置的设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 空气动力学特性数值模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 三维Euler方程有限体积法
• 3.2.1 模型方程及其数学性质
• 3.2.2 有限体积法
• 3.2.3 边界处理
• 3.2.4 耗散模型
• 3.2.5 四步Runge-Kutta显式时间推进格式
• 3.2.6 加速收敛措施
• 3.3 三维Navier-Stokes方程
• 3.3.1 Navier-Stokes方程的一般形式
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.3 N-S方程有限体积法
• 3.3.4 湍流模型
• 3.3.5 时间步长的选取
• 3.4 飞机外挂精确制导航弹系统数值模拟
• 3.4.1 几何模型与网格
• 3.4.2 计算过程与计算结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 空气动力学特性风洞试验与分析
• 4.1 引言
• 4.2 试验模型和试验设备
• 4.2.1 试验设备
• 4.2.2 试验模型
• 4.2.3 试验天平
• 4.3 选型与风洞试验
• 4.3.1 试验状态
• 4.3.2 试验方法
• 4.3.3 数值计算选型
• 4.3.4 风洞试验分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 航弹投放过程数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算过程
• 5.3 动态网格变形方法
• 5.3.1 守恒型动态网格流场计算方程
• 5.3.1 弹簧式光顺法
• 5.3.2 局部网格重构法
• 5.4 六自由度运动轨迹计算
• 5.5 二维数值模拟结果与分析
• 5.6 三维数值模拟结果与分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 飞行打靶试验与数据分析
• 6.1 引言
• 6.2 机弹分离航弹速度与位移分析
• 6.3 飞行试验气动特性分析
• 6.3.1 全弹气动特性
• 6.3.2 航弹的静稳定度
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 作者攻读博士期间发表或待发表的论文
• 致谢