弹箭旋转实现空气动力效应

如果采用时间推进方法模拟弹箭的旋转空气动力效应， 需要在数值计算中模拟弹箭的旋转运动， 而旋转运动的实现有移动壁面法、 滑移网格技术和刚体运动网格技术三种方式。

4.1.4.1　移动壁面法

单独弹身的旋转绕流场没有因为弹身的旋转而呈现强非定常性， 因此可以定义壁面的旋转速度， 采用求解定常或者非定常N－S 方程进行模拟。

定义壁面的移动速度为ωx， 壁面采用无滑移壁面条件。 这里由于网格并没有真正地旋转， 而是仅仅定义了物面的旋转速度， 因此在进行计算时需要单独考虑旋转引起的径向压力梯度对旋转空气动力效应的影响， 径向压力梯度定义为

式中， θ 为当地半径与物面法向的夹角。

4.1.4.2　滑移网格技术

滑移网格技术将网格分为多个区域， 各区域之间通过交接面（interface） 相互连接。 两个区域之间存在一对交接面， 只需要在滑移交界面上进行数值插值， 即可保证两个区域之间的通量守恒。 内部运动区的网格单元在运动过程并不发生变形， 因而滑移网格技术占用内存少， 计算速度快， 精度高。

滑移网格技术采用的不是点对点的网格， 也就是说在交接面上的网格节点不用重合， 如图4.3 所示。 图4.3 （a） 为外部固定区的网格单元（1） 和（2）， 图4.3 （b）为内部运动区的网格单元 （3） 和 （4）， 两个区域之间存在交接面－ 1 和交接面－2 （两个交接面实际上处于重叠状态）。 若要计算从外部固定区穿过交接面到内部运动区网格单元（3） 的通量时， 不考虑D－E 面， 而是利用d －b 和b －e 面将信息从网格单元（1） 和（2） 带入到网格单元（3）， 依此类推完成两个区域之间的数据交换， 实现通量守恒。(www.xing528.com)

图4.3　滑移网格示意图

（a） 外部固定区网格单元； （b） 内部运动区网格单元

如图4.4 所示， 在使用滑移网格技术模拟弹箭旋转运动过程中， 将整个计算域分为内外两个域， 内部域的网格包含弹体的物面网格， 而外部区域包含计算域的外部边界。计算时内部域可以绕弹体纵轴旋转， 转速为ωx。 在内域网格与外域网格的交接面上必须保证仅有切向速度没有法向速度。

4.1.4.3　刚性运动网格技术

刚性运动网格技术[3]， 即整个网格随物体一起作刚体运动。 在固定攻角下弹箭的旋转运动对于弹轴来说是为轴对称， 因此可以采用整个网格绕弹轴旋转来模拟弹体的非定常旋转运动。 特别是对于翼身组合体的弹箭， 由于其旋转运动诱导的绕流场是周期性的， 采用刚性运动网格技术可以使得在整个非定常计算过程中， 计算网格无须重新生成， 直接通过运动关系给出。 因此， 该方法计算量较小， 并且能保证计算过程中的网格质量不会变差， 所以模拟结果更为精细。 但是， 采用这种方法处理弹箭旋转运动， 由于远场网格距离网格中心较远， 网格的位移和速度变化较大， 使得在边界处理上有一定的难度。

图4.4　弹箭旋转运动的滑移网格实现