动态从分析Cone-Cylinder飞行的身体

文摘

探索从飞行的身体有巨大的军事应用的特征跟踪、定位、热保护、和红外隐身技术。现有研究大多集中在车辆的瞬时从特征在某些特定的飞行数据,不能够满足需求在红外系统的实时跟踪。探讨方法的动态热分析cone-cylinder飞行的身体高的旋转速度。首先,分析动态从气动特性的理论模型,建立了使用热节点网络的方法。然后,轨迹数据和对流传热系数是同时解决。此外,超音速的轨迹数据,跨声速,和亚音速制度分别定义为边界条件,和fluid-thermal分析方法实现滑动网格和multicoordinate方法的结合。最后,流动特性进行了分析并与无视转速。结果表明,两种情况之间存在显著差异,特别是在高速的政权。本研究进一步证实,有必要进行从从动态的角度分析,并考虑耦合运动的影响也是至关重要的。

1。介绍

飞行器,从反应是至关重要的红外辐射的测试飞行参数的跟踪测量系统,如坐标,态度,和偏航1- - - - - -4]。此外,从分析方法也基本设计热保护结构和红外隐身技术(5- - - - - -9]。然而,很难准确评估aeroheating特征由于身体不确定性和时变特性。在过去的几十年中,一系列的数值方法来估计从气动特性提出了超音速汽车(10- - - - - -16]。骑士et al。17- - - - - -19)评价的能力高超音速激波的CFD模拟层流边界层相互作用的双楔形模型并与实验传热和纹影可视化。郑,邱20.)执行的不确定性在气动力和加热特点高超音速飞行器的机翼占uncertain-but-bounded几何参数。艾哈迈德和秦21- - - - - -25上升钝头体)进行广泛的研究。他们调查了气流在锥形、磁盘和平板飙升的身体和分析周围的流不对称轴对称飙升钝体高超音速政权。秦et al。26)进行松散耦合的fluid-thermal方法探索气动热响应的上升在高超声速钝政权和相关的流量变化。

不幸的是,研究人员主要集中在车辆的瞬态气动加热一些特定的飞行状态(27- - - - - -29日]。然而,aeroheating特征表面上的车辆不仅取决于当前飞行状态,而且在飞行途中传热环境紧密相关,这是一个进步的,持久的,动态的过程(30.]。因此,瞬态热分析的结果不可避免地偏离实际情况,不能用于实时跟踪和监测的红外探测系统31日]。例如,杜达(32)制定一个有效的方法可以用来计算瞬态热通量,以及算法被用来评估整个瞬态温度分布组件基于测量温度选择在组件表面点。实时红外辐射成像模拟方法研究飞机蒙皮的气动加热效应,李et al。33)使用一个动态模拟方法开展的研究红外辐射(IR)飞机在飞行的特点,和aeroheating模型和环境辐射模型建立了求解热平衡方程。

此外,高速旋转的主要模式为一些车辆保持飞行稳定,但aeroheating相关特征对飞行的身体与耦合进动运动,旋转和俯仰是有限的。特别是,旋转的影响往往被忽视。例如,Silton [34)采用CFD方法来分析不同速度下飞行弹体的流动行为和攻角,但转速被忽视了。尽管阻力和升力系数的模拟值与计算数据基本上是一致的半经验的公式和实验中,有一个显著的马格努斯力和力矩之间的偏差与实验结果。相反,詹姆斯(35]调查周围气流的流动特性M910弹丸在不同旋转速度。模拟结果获得通过使用跑/ LES混合湍流模型好按照实验值在亚音速和跨音速条件。

因此,动态从气动特性的飞行身体岁差的耦合运动,旋转和俯仰是必要的研究。在这篇文章中,动态从相关cone-cylinder旋转飞行的身体表面重建使用更新的建模方法。首先,六个自由度(绑)轨迹模型,建立了在不同发射条件和运动特征进行了分析。然后,轨迹数据和对流传热系数是同时通过龙格-库塔方法,解决和影响因素也进行了分析。

2。6自由度弹道模型

采取一种旋转弹丸为研究对象探讨连续aeroheating特征表面上的飞行身体岁差的耦合运动,旋转和俯仰。简化结构模型如图1;圆锥曲线的长度和圆柱段,分别表示和 。圆柱段的直径 。

建立了6自由度动力学模型的外弹道理论来描述cone-cylinder旋转飞行的运动规律的身体。下面列出的建模过程是:首先,创建了参考坐标系统,包括地面坐标,基准坐标,弹道坐标,身体协调,体轴坐标系统。分析了动态载荷,包括重力、阻力、升力,马格努斯力,静态力矩,赤道和极地阻尼力矩和马格努斯力矩。

基于上面的一般理论分析,运动学方程和动力学方程推导出根据动量定理和质心运动定理的弹道坐标系统。

同样,动力学方程和运动学方程推导出根据动量定理时刻体轴坐标系统。

因此,6自由度弹道模型可以通过联立方程(1),(2),(3)和(4)和约束方程(5)。 在哪里 质心坐标; 弹道坐标系统中的力组件; 目前组件的作用在弹体轴坐标系统; 是角速度的组件。

3所示。理论模型的气动加热

3.1。表面元素师

域分解和表面元素师来推导出理论模型至关重要。本文提出了节点网络方法生成表面元素,每个元素作为一个计算节点的中心。锥形角同样是分为部分,扇形的半径是均匀地分成部分。然后,根据平等领域的规则,一个表面面板的面积和,分别表示为

圆柱表面均匀分成部分的轴向方向,和部门的数字是相同的锥形角在径向方向。平衡板表面的面积,收益率

在体内坐标系、柱坐标的节点(我,k)和表面法向量的锥形面表示为面板

类似地,节点的列坐标(j,k)和表面法向量的面板在圆柱表面上表示为

3.2。对流换热模型

在本节中,一个理论模型求解表面的对流换热系数的飞行身体将由传热的理论。为考虑到旋转速度的影响,旋转坐标系中的绝对速度被认为是飞行速度;然后,根据速度合成定理, 在哪里旋转坐标系中的速度矢量,惯性坐标系中的速度矢量,然后呢是角速度向量。初始角速度的定义是

如果标准海平面大气参数被视为气流参数的弹在发射位置,和温度之间的关系,密度和压力的freestream,分别表示为

绝热壁温度和经济复苏温度被制定为 在哪里飞行高度和吗温度恢复系数。层流流动时, ,否则, 。

根据流体力学和传热理论,局部努塞尔特数可以近似代替平板上的强制对流传热计算,当高速气流通过圆柱表面纵向。 在哪里 是当地的努塞尔特数,普朗特数: ,和雷诺数: ; , ,和的距离是一个计算节点的弹头,导热系数和粘度系数。

众所周知,可压缩流理论不能用于预测气动热通量与给定的物理量使用隐式函数。为了解决这个问题,一个参考温度的方法,提出了计算流场中的边界层参数。运输和热力学性质评估参考温度( )这表明边界层内的位置(22]。

根据传热理论,局部努塞尔特数之间的关系和传热系数被定义为

然后,在圆柱表面对流传热系数可以表示为

锥形表面的对流传热系数可近似计算流体动力学(圆定理31日]。

4所示。理论计算和讨论

4.1。轨迹计算

轨迹计算的主要数据如下所示:圆锥和圆柱部分的长度是400毫米和500毫米。圆柱直径155毫米,质量是46.5公斤。弹头从质心的距离是550毫米。启动速度,拍摄角度,飞行时间是1030 m / s, 45°,分别和80年代。赤道惯性矩是1.814公斤∙m²,极惯性矩是0.163公斤∙m²。采用龙格-库塔方法同时解决6自由度轨迹模型和气动传热模型,和弹道参数和传热系数与飞行时间可以获得同步。图2介绍了轨迹曲线在不同的启动速度, , ,和 ,分别表示范围、飞行高度和横向偏移量。横向偏移量是由陀螺定向效应和引力偏转轨迹切线。

数据3和4分别展示了不同初始速度飞行速度和旋转速度。结果表明,速度符合减少指数以升序排序。然而抛物线顶点,没有之前的最小空气阻力加速度大于重力加速度在垂直方向的分量。此外,速度接近最低时的质心加速度为零,然后,它开始相对地增加终端的轨迹。通过比较,可以发现,速度提升时期大于下行的飞行高度。此外,初始速度越快,越快衰减率,和角速率的衰减率提升时期比在下降快。众所周知,飞行速度和转速的比值接近最低发射位置,和峰值出现在抛物线顶尖,但比例开始下降的速度是提高终端轨迹。

4.2。动态传热系数

图5介绍了三维分布的雷诺数。如图6,平均参考圆柱表面的温度和锥形面。

从结果,每个计算节点对应于雷诺数和参考温度,和最大的再保险 ,涵盖范围从层流到湍流流场计算。在第一个20秒的轨迹,锥形部分的平均参考温度明显高于圆柱部分,尤其是在短时间内推出后,但温度衰减也快。20秒后,锥形部分的平均参考温度低于圆柱部分。

图7介绍了绝热壁温、复苏温度和气流温度。如图8,表面的瞬态传热系数的飞行的身体可以得到。的结果,温度绝热壁温度和复苏的趋势基本上是一致的飞行速度,但变化范围相对不同。绝热壁温度和恢复温度之间的差异主要体现在第一个20秒的轨迹。气流温度先降低,然后增加与飞行高度的变化。

图9介绍了三维表面的对流换热系数分布的飞行的身体。结果表明,传热系数的改变同样与飞行速度,但程度是有差异的。首先,传热系数迅速降低,然后增加直到达到最大值,之后慢慢下降,和前两个陡峭的渐变的过程都集中在弹头区域。锥形的情况下,对流传热系数正比于速度的平方根在层流条件下,当湍流条件下的比率是4/5。因此,对流传热系数达到最大值的时候推出,然后,在终端轨迹迅速下降。显然,对流传热系数波动增加一小部分中途的轨迹,负责层流湍流过渡。

要发射条件的影响对流传热系数,影响因素包括发射速度、旋转速度、和发射角度进行了分析,如图10- - - - - -12。从计算结果可以发现,平均传热系数随发射速度上半年的轨迹,和递减同时增长迅速。然而,系数成反比的初始速度下半年轨迹,和发射角产生一个类似的趋势。虽然小发射角会导致更严重的气动加热,它不会反映到身体在短时间内已经启动。此外,旋转速度的影响更明显在高速阶段,然而,影响将减弱逐渐减少的速度。

5。结论

在这篇文章中,动态从表面特征cone-cylinder旋转飞行的身体使用更新的建模方法,重建和热节点网络方法成功地申请了身体的预测从环境耦合进动运动,旋转和俯仰。外部基准轨迹和对流传热系数在飞行期间同步。这项工作的主要结果如下:(1)飞行速度是递减指数上升时期的轨迹,和衰减率与初始速度更快。角速率的指数衰减率提升时期比在下降快。此外,参考温度平均表面的锥形部分是明显高于圆柱部分的第一个20秒的轨迹,特别是发射后在很短的时间内。20秒后,平均参考锥形表面的温度低于圆柱部分(2)平均对流传热系数与初始速度和旋转速度,增加和提升的衰减率快速增长阶段飞行期间,而系数成反比的初始速度下行阶段,和拍摄角度同样变化。此外,瞬态对流传热系数开始大幅下降,缓慢衰减前和急剧上升(3)从气动特性不仅取决于当前飞行状态也由传热环境在飞行期间,这是一个进步的,持久的和动态的过程。考虑到旋转速度、对流传热系数显然是太高,无视,尤其是在超音速政权

命名法

:	直径、米
:	质量,公斤
:	时间,年代
:	表面面板,m2
:	密度,公斤/米3
:	比热容、J /(公斤·K)
:	锥形角,rad
:	导热系数W / (m·K)
:	绝热指数
:	表面法向量的面板
:	赤道惯性矩
:	极惯性矩
:	速度,m / s
:	角速度,rad / s
:	动态粘度,(N·s) / m2
:	用步枪射击角度,rad
:	传热系数W / (m2·K)
:	海拔攻角,rad
:	方位攻角,rad
:	仰角的方向,rad
:	方位角的方向,rad
:	仰角速度方向
:	方位角速度方向,rad
:	温度、K
P:	压力,爸爸
:	总焓,J
ν:	努塞尔特数
再保险:	雷诺数
公关:	普朗特数。

下标

:	墙
:	计算节点
:	轴向方向
:	相对价值
:	Freestream条件
:	流动参数在参考温度条件。

数据可用性

(MATLAB计算程序)数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国自然科学基金会(国家自然科学基金委)授予的11372136,中国上海市科学技术委员会(SMSTCC)授予的17050502000,和上海海洋大学授予的a2 - 2006 - 20 - 200210。

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