DES数值模拟揭示弹箭底部流动效应

在亚声速和跨声速时， 底部流动会对弹身尾段（特别是存在船尾时） 产生影响，弹身底部流动非常复杂。 湍流模型难以准确地模拟弹体的底部流动。 因此， 可采用脱体涡模型（DES） 方法对弹身在亚声速和跨声速的旋转绕流场进行模拟。

Doraiswamy[10]采用DES 方法模拟了0.05 倍口径炮弹的旋转绕流场。 其中DES 方法中采用了S－A 湍流模型。 炮弹的外形如图4.26 所示， 图中的长度都为口径的倍数，炮弹总长为4.46 倍口径， 质心位置距头部为2.68 倍口径， 船尾角为9°。

图4.26　0.05 倍口径炮弹外形示意图

为了保证计算的精度， 根据S－A 湍流模型以及DES 对网格的需求， 分别划分了亚声速和跨声速网格（图4.27） 以及超声速网格（图4.28）， 两种网格都是贴体化网格，y ＋<1。 S－A 湍流模型的网格总量为320 万， 而DES 方法的网格特别对弹身底部区域进行了加密， 总量为600 万。

图4.27　亚/跨声速计算网格

（a） S－A 湍流模型； （b） DES 方法

图4.28　超声速计算网格(www.xing528.com)

（a） S－A 湍流模型； （b） DES 方法

图4.29 所示为S－A 湍流模型与DES 方法在Ma∞＝0.98、 α ＝5°时， 攻角平面上的马赫数云图。 由图可以看出， DES 方法能够更好地模拟得到弹身底部的流动细节， 而且从DES 方法得到的流场图中可以看见， 底部的流动能够影响弹身船尾段的流动。

因此相对于RANS 湍流模型， DES 方法虽然能够提升流激波与漩涡流场细节的刻画能力， 但并不能从根本上提升弹身旋转空气动力效应的模拟精度。

图4.29　弹体攻角平面上的马赫数云图

（a） S－A 湍流模型； （b） DES 方法
（Ma∞＝0.98， α ＝5°）

图4.30　马格努斯力矩系数导数随马赫数变化曲线（α ＝5°）