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PiFlow计算精度验证

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往期回顾:

子母弹气动分离模拟

PiFolw导弹级间分离模拟





前 言

Introduction






本期以弹丸空气动力学为主题,模拟弹丸在2.4马赫工况下弹体周围流场,利用自研笛卡尔软件PiFlow求解。为验证PiFlow求解精度,利用Fluent和STAR CCM+解算弹体同一工况,对比计算结果。








1

案例背景

Case Background


# Case Background #

在质点弹道学中,弹丸在飞行过程中的阻力主要有三种,摩擦阻力、涡流阻力和波动阻力,而其中占总阻大部分是涡流阻力和波动阻力,因此减小这两种阻力就成了减小弹丸空气阻力的首要目标。普通弹丸外轮廓采用流线形,弹丸外形不会突然改变,俗称“枣核弹”,将空气沿着弹体表面引入弹丸底部,可以减小压差。在后续弹丸结构优化中,另外一种方法是在底部增加一个排放气体的装置,来增大弹丸底部的压强,减小压差,这就是我们常见的底排增程弹。但是增加排气装置相对复杂,设计人员另辟蹊径,将弹丸设计成通孔,可将一部分气流引入弹丸底部,仍可达到一种类似于底排弹的效果,达到减小低阻的目的。



 














2

几何外形

Geometric Shape

普通弹丸和空心弹丸外形分别如下图所示,相关尺寸参数参考1857年英国人Whitworth提出的空心弹物理模型。



 



图1 弹丸CAD外形

3

网格参数

Grid Parameters

三个软件计算均采用笛卡尔网格,求解欧拉方程。网格划分利用PiFlow笛卡尔网格解算器软件,全自动笛卡尔网格生成用时1分43s,网格参数如图2所示,网格单元数量为2891639,划分完切面网格效果如图3所示:



 



图2 网格参数设置



 



图3  Z方向切面网格

4

计算条件

Calculation Conditions

案例计算普通弹丸和空心弹丸在2.4马赫工况下弹体周围流场分布情况,具体计算条件如下表所示:

 

验证求解器软件PiFlow精度

5

弹丸飞行阻力

Projectile Flight Resistance

PiFlow、Fluent及STAR CCM+弹丸阻力计算结果统计如下表:

 

假定以Fluent计算结果为标准,普通弹丸阻力PiFlow和STAR CCM+计算误差分别为3.95%和2.64%,空心弹丸阻力PiFlow和STAR CCM+计算误差分别为2.74%和6.25%,在误差允许范围内,满足计算结果验证标准。在外弹道上空心弹丸的优点是显而易见的,相比较于普通弹丸,空心弹丸内部为开孔设计,其重量更轻,可有效减小其表面与空气之间的接触面积,从而降低了空气阻力,这使得空心弹丸在飞行过程中具有更高的速度和更远的射程。

6

云图对比

Contour Plot Comparison

弹丸流场速度云图



 



PiFlow速度云图



 



Fluent速度云图



 



STAR CCM+速度云图

弹丸流场压力云图



 



PiFlow压力云图



 



Fluent压力云图



 



STAR CCM+压力云图

弹丸流场马赫数云图



 



PiFlow马赫数云图



 



Fluent马赫数云图



 



STAR CCM+马赫数云图








结 论

Conclusion






通过弹丸空气动力学流场案例,得到如下结论:

1. PiFlow和商用软件Fluent、STAR CCM+计算的弹丸飞行阻力参数数据吻合度较好,两种弹形误差不超过5%,弹丸飞行阻力参数满足精度要求;

2. 从速度云图、压力云图、马赫数云图三个维度分析,云图分布大体一致,均可较好捕捉到弹丸周围流场空间的流动细节,证明PiFlow有较好的解算精度。

3. 在计算效率上,PiFlow的GPU加速求解速度优势明显。采用3070 GPU解算,迭代100步完成收敛,耗时约3分半。而同一弹体工况采用10核CPU计算,PiFlow迭代100步完成收敛,耗时约7分钟,Fluent和STAR CCM+基本约迭代120步完成收敛,耗时约8分钟













8

结尾

Ending


#Ending #

Fluent、STAR CCM+和Tecplot作为业界杰出的软件,是我们学习的标杆。这些软件的成功故事启发着我们,激发了我们在PiFlow等相对新兴的国产自研软件上进行不懈努力的决心。

随着科技的不断发展,我们明白到持续改进和创新是软件领域的核心。正因如此,我们必须不断地对PiFlow进行功能的优化和迭代,以确保它们能够与业界的佼佼者相媲美,甚至更进一步。

透过不懈的努力、改进和完善,我们期待着PiFlow在未来的新版本中带来更多的创新和性能提升,为用户提供更出色的体验。



来源:荣泰创想ROMTEK
FluentTecplotPiFlow
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-09-15
最近编辑:1年前
荣泰创想 ROMTEK
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