Bullet外流场温度仿真案列

1.Bullet余速确定

对于Bullet飞行120m后的余速，考虑到数值仿真模型较大，采用理论经验公式进行计算。其理论计算方法如式1-1所示。

（1-1）

式中为弹丸出膛后的初速（）；s为弹丸位移（m）；为速度衰减系数，其中，

（1-2）

式中，Cx为弹丸迎风阻力系数，对于柱形弹丸，

（1-2）

M为马赫数；ρa为当地空气密度，取值ρa=1.3kg/m3；为弹丸垂直于飞行方向上的迎风面积；

（1-3）

其中，φ为形状系数，柱形弹丸形状系数为3.347e-3，m为Bullet质量0.389kg（弹头质量）。

根据式3-1、式3-2以及式3-3计算得到，Bullet飞行120m后的存速为640m/s。

2.Bullet飞行120m处温度确定

根据之前的研究结果表明，Bullet出膛时的温度为81摄氏度左右；Bullet初速为960m/s，Bullet在120m处的余速为640m/s，其平均速度为800m/s。在模拟Bullet飞行到120m处的温度时，设定气流流向Bullet的速度为平均速度800m/s。采用FLUENT数值仿真软件进行模拟。

2.1Bullet模型建立

根据Bullet参数：该Bullet为30×165 mm高爆燃烧弹，弹重837g，弹头重389g，装药49g，初速960m/s，引信延时0.15ms，并能在7.5-14.5s后自毁。其实体模型如图2.1所示。

图2.1 Bullet实体模型

考虑到Bullet发射出去后只有弹头在空气中飞行，根据已知数据以及实体模型图片使用图片测算法，运用SolidWorks软件建立弹壳三维实体模型以及内部装药模型，如图2.2所示。

     

图2.2 弹壳及装药模型

将弹头壳体与装药装配到位后需要在其外部建立外流场区域，即外部空气域，使用workbench里面的建模软件在弹头外部生成外流场。如图2.3所示。

图2.3 弹头外流场区域建立

2.2模型前处理

将建好外流场区域的弹头及流体区域模型导入mesh进行前处理。弹头壳体以及装药网格划分如图2.4所示。

图2.4 网格划分

将弹头飞行方向所指空气域对应的面设置为空气流入边界，其他面设置为流出边界。如图2.5所示。

图2.5 空气域边界设定

在模拟弹头与外部空气的热交换时，需要建立弹头壳体外部与空气交界面的耦合换热面，此外还需要考虑弹头壳体与内部装药的耦合换热面。耦合换热面的建立如图2.6所示。

图2.6 耦合传热面建立

2.3仿真模型设置

将处理好的前处理模型导入FLUENT进行数值仿真相关参数设置，采用基于压力求解（Pressure-Based）算法，该方法既适用于可压缩流体，也适用于不可压缩流体的计算。采用瞬态/非稳态（Transient）计算方法，设定大气温度为20摄氏度，一个标准大气压下进行模拟。

选择计算模型时，需要打开能量方程，进行耦合传热计算。流动模型选择“Viscous”（黏性）“k-epsilon(2qn)”中的“Realizable”模型，勾选“Scalable Wall Function”。空气使用“ideal-gas”理想气体状态方程，设置弹体材料为铜，内部装药材料为B炸药。对于B炸药主要设置其传热系数以及比热容，B炸药主要参数设置如图2.7所示。

图2.7 B炸药主要参数设置

如图2.7所示，主要设置了密度1717kg/m³，定压比热为1760J/kg-k，热传导系数为0.5w/m-k。物理模型相关设置如图2.8所示。

图2.8 湍流模型设置

弹头与空气域之间耦合传热面interface的建立以及弹头壳体与内部装药耦合传热面interface的建立如图2.9所示。

图2.9 耦合传热面interface建立

上述设置完成后，选用SIMPLE Method进行计算，在进行初始化时，设定空气域初始温度为20摄氏度，弹头壳体以及装药温度为81摄氏度。在进行时间步长设置时，由于设定气流速度为Bullet平均速度800m/s，Bullet飞行120m需要的时间为150ms，设定计算总时间为150ms，计算完成后即可得到120m处弹头及外部空气温度分布。

2.4数值仿真结果

初始时刻，模型中心截面的温度分布如图2.9所示。如图中所示，弹头初始温度为81摄氏度，外部空气域为20摄氏度。

图2.9 初始时刻温度分布

计算完成后，弹体周围温度场分布如图2.10所示。

图2.10 温度分布计算结果

由图2.10所示，弹头整体温度基本没变，弹头周围空气温度有所提高，约为50摄氏度。弹头壳体表面平均温度为79.1摄氏度，弹头壳体平均温度为79.5摄氏度，装药温度为81摄氏度。弹头壳体表面温度以及弹头壳体平均温度计算结果如图2.11所示。

图2.11 温度计算结果

弹头周围气流速度场分布如图2.12所示。

图2.12 弹头周围气流速度场分布

由上述仿真结果可知，120m处，弹头表面温度约为79.1摄氏度，弹头壳体整体平均温度约为79.5摄氏度，装药温度依旧为81摄氏度。在后续侵彻油箱计算过程中，可分别赋予弹头壳体与装药相应的不同初始温度。