基于PERA SIM Fluid的弹丸外流场仿真

本文基于安世亚太自主研发的PERA SIM Fluid流体仿真软件，以某型号弹丸为研究对象，对其外流场进行了数值模拟计算，获得了超音速条件下外流场的压力、速度分布和阻力特性，并与成熟的CFD软件对比，验证了国产仿真软件PERA SIM Fluid的精确性和可靠性。

关键词：弹丸；超音速；PERA SIM Fluid

弹丸在飞行中受到大气的作用，其作用力对弹丸的飞行性能产生很大的影响，气动性能直接影响着飞行速度衰减、飞行时间、射程、飞行稳定性等，因此设计出具有良好气动特性的弹丸外形是设计者关心的主要问题之一。尽管可以通过风洞试验获得较为真实可信的结果，但昂贵又费时，也难以实现对每种设计方案都进行试验。CFD方法为弹丸的气动和飞行力学计算提供了低成本的有效手段，同时能提供比试验更详细的复杂空气动力学的定量描述。

表征弹丸气动特性的参数主要有阻力系数C_d、升力系数C_l和压力系数C_p。

式中，F_d为阻力，ρ为空气密度，v为气流速度，S为参考面积，P为弹丸表面静压，P_∞为自由流静压，U_∞为自由流速度。

采用PERA SIM Fluid建立了弹丸气动仿真模型，获得了详细的可压缩流场特征和相关气动参数。

2.1 几何模型处理

本次研究的弹丸外形如图1所示，使用实体功能建立圆柱形外流场计算域，弹丸前侧为3倍弹长，后侧为20倍弹长，圆柱直径为25倍弹径，使用分组功能定义各计算边界，处理好的计算域如图2所示。

图1弹丸外形

图2 计算域

2.2 网格划分

PERA SIM Fluid提供了两种网格划分方法：基于拓扑的网格划分和基于包面的网格划分。考虑当前几何模型密闭且清理得较为干净，选择拓扑网格划分方法，直接生成体网格。

设置全局最大网格尺寸为0.4m，最小尺寸为0.0004m，局部网格设置弹丸表面最大尺寸0.004m，边界层15层，第一层层高0.00001m。

图3 弹丸附近体网格分布

图4 边界层网格

2.3 模型、边界设置及求解

在“通用”设置中修改分析类型为“可压缩”，稳态计算，参考压力为0Pa。

图5 通用设置

开启能量方程，湍流模型选择k-ω SST。

图6 湍流模型设置

流体材料默认空气可用，修改密度为“理想气体”，动力粘度选择萨瑟兰公式，其余属性保持默认。

图7 材料属性设置

本次计算攻角为0°，来流马赫数1.0，入口压力设置为101325Pa，总温320K；出口压力为53528Pa。

图8 边界条件设置

求解方法选择耦合算法，空间离散压力为二阶格式，密度、动量、湍流、能量选为“MUSCL格式”，时间离散勾选“伪瞬态方法”；采用标准初始化方法，初始压力改为101325Pa；收敛标准默认，计算过程中监测弹丸阻力。

图9 求解算法设置

伪时间步长设置为0.001s，迭代步数3000步，可以设置计算过程中自动保存数据的间隔，输出额外变量包括总温、总压、马赫数等。PERA SIM Fluid支持本地和远程并行计算，设置合理的并行核数求解计算。

图10 求解参数设置

PERA SIM Fluid提供了全面的后处理功能，可以提取点、线、切割面、切割体、流线、等值面、动画等结果，也具有创建图表、自定义函数等功能创建针对特定问题的物理量。

图11 弹丸近场流线

为了验证PERA SIM Fluid计算结果的准确性，使用成熟商用CFD软件、相同的工况条件进行了对比计算，计算对比结果如下。

图12 压力分布对比

图13 马赫数对比

由压力分布云图可以看出，PERA SIM Fluid与成熟商软的计算结果一致：弹体头部前端面与气流方向垂直，压力值接近滞点值；尾翼的前端面也承受了比较大的压力；弹体锥形头部和圆柱部结合处，气流向外折产生膨胀波，压力下降，然后在圆柱部分逐步回升；在圆柱部和弹尾结合处，气流再次产生膨胀波，压力下降。

图表为两款软件计算阻力值的对比，总阻力偏差为4.41%。

表1 阻力值对比

基于PERA SIM Fluid软件，对某弹丸超音速外流场进行了仿真，实现了从几何模型处理、网格划分、模型和边界条件设定、求解及计算结果处理的完整分析流程，验证了软件对可压缩、超音速流动问题的处理能力；与成熟CFD软件进行了结果对比，压力、速度场的分布一致，总阻力数值的偏差为4.41%，保证了良好的计算准确性。