2024年计算流体力学大作业.docx

南京理工大学

动力工程学院

计算流体力学大作业

題目

基于Fluent的小口径炮弹流体动力学分析

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基于Fluent的小口径炮弹流体动力学分析

摘要

小口径火炮武器系统广泛应用于陆军、海军和空军，用于野战防空、要地防空、舰船防空和飞机空中近距格斗。本文以小口径炮弹為研究对象，对其进行了飞行过程中的流体动力学分析，对其控制方程进行了分析，最终运用ANSYS软件的Fluent模块对其在来流馬赫数為2.5，迎角為5度的状况時的空气绕流状况进行了仿真分析，得到了炮弹的阻力系数和升力系数变换图、速度矢量图、流线绕流图和弹的压力分布图，并对所得到的成果进行了分析，得出了某些結论。这对后来小口径炮弹的改善有很大的协助。

关键詞：小口径火炮仿真Fluent

1、引言

小口径速射火炮是抗击中低空飞机、直升机、巡航导弹、战役战术导弹的重要武器装备，是形成弹幕、终端毁伤来袭武器以保卫重要目的的最终一道屏障。伴随战场条件和目的特性的变化，对近程防空反导武器提出了新的需求，在国内外既有小口径速射火炮武器系统的基础上，分析高射速发射火炮武器系统的特点，分析炮弹在出炮口后的飞行流体动力学特性有非常重要的意义。

小口径速射火炮【[]朱森元.小口径速射火炮武器系统发展展望[J].兵工自动化，，27（6）：1-8.】，涵盖23mm、25mm、30mm、35mm、37mm等口径，发射方式涵盖转管发射（多管转管自动机、多转管自动机共架）、转膛发射、双管联动、并行发射及电控串行发射（“金属风暴”）等。伴随技术的进步，小口径速射火炮性能突飞猛进，瞬時射速到达几万～几十万发/min。其中，射速為1000～8000发/min的小口径火炮发射、弹药技术等技术群称為“高射速发射技术”；而发射速度到达8000发/min以上的小口径火炮发射技术、弹药技术等技术群则称為“超高射速发射技术”。高射速发射技术，由小口径火炮武器系统的雷达、光电等传感器跟踪来袭目的，计算机解算，指挥火炮，发射密集弹丸形成弹幕，击落穿过中远程防空火力的“漏网者”，有效保卫重要目的、战略要地、机动部队和二次打击能力，是抗击巡航导弹、空地导弹、反舰导弹、制导炸弹以及无人飞机等袭击的有效屏障。在近年来的历次防空反导作战中都发挥了重要作用。1973年10月的第4次中东战争，以色列共损失飞机120架，其中被23mm高炮武器系统击落的占55%，在埃军突破“巴列夫”防线的一次战斗中，前3小時以军飞机就被埃军23mm高炮击落18架。1982年英阿馬岛战争中，馬岛阿方的地面防空力量只有一种防空营，但它的30mm和40mm高炮却击落了英军

[]朱森元.小口径速射火炮武器系统发展展望[J].兵工自动化，，27（6）：1-8.

1998年12月17曰，美英对伊拉克又发动了代号為“沙漠之狐”的空中打击，美军在头两天既发射了305枚巡航导弹，但其中的77枚被23mm高炮武器系统的密集炮火击落

实践表明，小口径速射火炮在未来的信息化战争中，大有用武之地，是陆海空三军和二炮的必须装备。根据小口径速射火炮武器系统不停扩展的应用范围，需要加强应用基础的研究，增进自主创新；需要新的理论支持，推进炮口流场理论发展；开发智能化供输弹、补弹技术，提高持续射击時间；开发大威力、全天候传感器，网络化传感器，提高传感器威力。

未来战争，小口径速射火炮武器系统打击、毁伤目的的种类、性能均有较大发展。对应地，其预警、跟踪、瞄准、毁伤等性能必须有较大的飞跃，才能适应“建设信息化部队，打赢信息化军队”战略目的的需要。而对小口径炮弹进行空气动力学分析，对后来的改善有很大的协助。

2、物理模型

本文研究的小口径速射炮弹模型如下图所示，弹头母线為圆弧，船尾角為8度，為了求解以便将炮弹做了如下假设：炮弹是无尾翼的，出炮口后不考虑旋转，由于炮弹的流场是三维的、有粘的，来流速度大部分為超音速的，因此采用理想可压缩气体模型，為了简化计算采用层流模型，控制方程采用无量纲N-S方程，流动為定常流动。以上工作均在软件中设置完毕。

图1平面图

图2三维图

3、控制方程

在Fluent中设置求解器為耦合可压缩模型，这个模型是专门用来求解高速可压缩流体N-S方程的。重要用到的控制方程有：

质量守恒方程：

（1）

式中矢量符号：（2）

动量守恒方程【[]钱翼

[]钱翼稷.空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，.9

（3）

式中符号、、和是动量守恒方程的广