無柄手榴彈空氣動(dòng)力特性和引信爬行系數(shù)

殷永亮，王雨時(shí)，武波涌，聞　泉，嚴(yán)東坡，張志彪

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094；

2.湖南兵器建華精密儀器有限公司，湖南 永州　425024)

無柄手榴彈空氣動(dòng)力特性和引信爬行系數(shù)

殷永亮1，王雨時(shí)1，武波涌2，聞泉1，嚴(yán)東坡2，張志彪1

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；

2.湖南兵器建華精密儀器有限公司，湖南 永州425024)

摘要：為了為某無柄手榴彈引信彈道炸原因分析提供彈道環(huán)境，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)在空中以不同姿態(tài)飛行的手榴彈進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)特性仿真，得到了該手榴彈的阻力系數(shù)以及其引信的爬行過載系數(shù)；因方位不同，手榴彈的阻力系數(shù)和爬行過載系數(shù)也不同；在相同速度條件下，爬行過載系數(shù)的極大值約是極小值的5倍；該手榴彈空中飛行時(shí)平均阻力系數(shù)約為0.932 5。

關(guān)鍵詞：手榴彈；空氣動(dòng)力特性；爬行系數(shù)；動(dòng)力學(xué)仿真

手榴彈體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡約、使用靈活，是一種可隨身的武器裝備，在近戰(zhàn)、防暴、反恐斗爭中不可或缺[1-2]。傳統(tǒng)手榴彈功能單一、性能偏低，手榴彈的發(fā)展曾一度遲滯不前，引信是限制其發(fā)展的主要瓶頸。

手榴彈彈道由投擲形成。投擲習(xí)慣不同、方法不同，手榴彈的彈道也不同。此外，手榴彈無穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，在外彈道上有可能翻滾。手榴彈外形是三維結(jié)構(gòu)，不同飛行姿態(tài)(方位)阻力特性和由此產(chǎn)生的引信爬行環(huán)境也不同。手榴彈空中翻滾產(chǎn)生的離心慣性力和爬行力，可能是引起手榴彈引信慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)意外作用從而發(fā)生彈道炸的彈道環(huán)境因素。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)已經(jīng)成為繼理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)后的一種重要研究手段。許多學(xué)者已經(jīng)通過仿真計(jì)算的方法研究了單兵火箭彈、大型捆綁式運(yùn)載火箭、迫擊炮彈和經(jīng)典旋轉(zhuǎn)彈丸等彈種的氣動(dòng)力特性[3-6]。但是目前尚未見有利用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)手榴彈氣動(dòng)特性進(jìn)行研究。

為了為手榴彈外彈道分析和引信彈道炸原因分析提供參考，本文運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件FLUENT對(duì)手榴彈在空中以各種姿態(tài)飛行時(shí)的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行仿真分析，得到了其在空中飛行時(shí)的阻力系數(shù)以及其爬行過載系數(shù)。

1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

1.1　流體基本方程[7]

(1)連續(xù)方程

(1)

式(1)中ρ為流體密度；t為時(shí)間；Vx、Vy、Vz分別為流體速度在x、y、z方向的分量。

(2)能量方程

(2)

式(2)中u為單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能；V為流體的速度；p為壓強(qiáng)；ρ為流體的密度；C表示常數(shù)。

(3)動(dòng)量方程

(3)

式(3)適用于定常流情況。式(3)中∑F為流體微團(tuán)內(nèi)流體的總作用力；V為流體的速度；S為流體微團(tuán)的表面積；n為元素面積dS的法向單位向量。

1.2　彈丸空氣阻力

彈丸空氣阻力：

(4)

2有限元模型

2.1　幾何模型

首先在SolidWorks軟件中建立無柄手榴彈空中飛行狀態(tài)下(握片已脫落)的三維模型，如圖1所示。然后將建好的模型導(dǎo)入FLUENT軟件中，建立空氣域。本模型以手榴彈為中心在其周圍建立圓柱體空氣域，其長度為10倍彈長，直徑為20倍彈丸最大直徑[4]。網(wǎng)格采用自適應(yīng)混合非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)空氣域分層劃分網(wǎng)格，越靠近手榴彈的空氣域網(wǎng)格越密，全場計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格單元數(shù)為665 792。手榴彈壁面生成網(wǎng)格后如圖2所示。

2.2　初始條件和邊界條件

假設(shè)來流為理想氣體。取遠(yuǎn)處前方來流值作為來流初始條件，外邊界取壓力遠(yuǎn)場條件。根據(jù)投擲過程高速錄像判讀，手榴彈出手速度范圍約為15～25m/s。文獻(xiàn)[8]估取適宜投擲的自然風(fēng)速范圍為0～15m/s。由此確定仿真分析的手榴彈速度為15、25、40m/s，對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)(Ma)分別為0.043 22，0.072 03，0.115 2。手榴彈最大直徑為48mm，故取特征面積S的值為1.809 6×10-3m2。

圖1　手榴彈仿真幾何模型　　　圖2　手榴彈壁面網(wǎng)格劃分

湍流模型選取Spalart-Allmaras模型。該模型是一個(gè)相對(duì)簡單的單方程模型，比較適用于壁面限制的流動(dòng)問題，常用在空氣動(dòng)力學(xué)問題當(dāng)中，例如對(duì)飛行器、翼型等繞流流場的分析。

3仿真結(jié)果及分析

手榴彈投擲后在空中以任意姿態(tài)飛行，風(fēng)速可以沿其周圍壁面任意方向。在仿真過程中假定手榴彈靜止，則只需將不同方向的風(fēng)速分解到三個(gè)坐標(biāo)軸上即可。圖3中V即風(fēng)速的方向矢量，x、y、z為三個(gè)坐標(biāo)軸，α和β為描述空間任意矢量的兩個(gè)角度。則風(fēng)速矢量在不同坐標(biāo)軸上的分量為

Vx=Vsinβsinα

(5)

Vy=Vcosβ

(6)

Vz=Vsinβcosα

(7)

圖3　風(fēng)向矢量示意圖

手榴彈外形是關(guān)于xoy平面對(duì)稱的，故風(fēng)向的選取只需考慮一半邊界環(huán)境。在此取α=-90°、-75°、-60°、-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。β=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°。

3.1　阻力系數(shù)Cx0(Ma)

通過計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件FLUENT對(duì)不同情況下飛行的手榴彈進(jìn)行仿真分析，得到對(duì)應(yīng)特征面積S=1.809 6×103m2的阻力系數(shù)如圖4~圖6所示和表1所列。

圖4　速度40 m/s時(shí)手榴彈阻力系數(shù)

圖5　速度25 m/s時(shí)手榴彈阻力系數(shù)

圖6　速度15 m/s時(shí)手榴彈阻力系數(shù)

速度/(m·s-1)最小阻力系數(shù)Cx0min最大阻力系數(shù)Cx0max比值Cx0max/Cx0min平均阻力系數(shù)Cav150.36011.78314.95170.9279250.36841.69424.59880.9412400.34161.72045.03630.9283平均0.35671.73264.86230.9325

3.2　爬行過載系數(shù)K

由式(4)可得到手榴彈在飛行中的空氣阻力Rx。據(jù)此可得其引信爬行過載系數(shù)：

(8)

式(8)中m為手榴彈質(zhì)量。

聯(lián)立式(4)和式(8)可得到手榴彈在空氣中飛行的爬行過載系數(shù)，如表2所列。

表2　手榴彈氣動(dòng)特性爬行過載系數(shù)

文獻(xiàn)[10]中給出光滑圓球的阻力系數(shù)：

(9)

式(9)中Re為雷諾數(shù)。

式(9)的適用范圍是105≥Re≥5。由此得光滑圓球不同速度下的阻力系數(shù)如表3所示。

表3　經(jīng)典文獻(xiàn)給出的光滑圓球阻力系數(shù)

另由文獻(xiàn)[11]查得表面很粗糙(外表突出高度Δ=0.08d)的圓球狀物體阻力系數(shù)CD=0.8。本文仿真研究的手榴彈外表不十分規(guī)則但近似呈圓形，所得阻力系數(shù)與此接近且略大，表明仿真結(jié)果較為可信。

4結(jié)論

手榴彈空中飛行時(shí)姿態(tài)眾多，使得其阻力系數(shù)變化范圍較大。手榴彈飛行速度15m/s時(shí)，其阻力系數(shù)范圍：0.360 1~1.783 1；速度為25m/s時(shí)，其阻力系數(shù)變化范圍：0.368 4~1.694 2；速度為40m/s時(shí)，其阻力系數(shù)變化范圍： 0.341 6~1.720 4，最大值與最小值相差約5倍；手榴彈飛行速度15m/s時(shí)，爬行過載系數(shù)系范圍：0.0371 3~0.183 8。

速度為25m/s時(shí)，爬行過載系數(shù)范圍：0.105 5~0.485 2；速度為40m/s時(shí)，爬行過載系數(shù)變化范圍：0.250 5~1.261 4，最大值與最小值相差約5倍；對(duì)應(yīng)于手榴彈最大直徑的特征橫截面積，手榴彈空中飛行時(shí)的平均阻力系數(shù)為0.932 5。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2014-11-15

作者簡介：殷永亮(1989—)，男，碩士，主要從事機(jī)電系統(tǒng)智能與靈巧化研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.010

中圖分類號(hào)：TJ410.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0707(2015)07-0035-04

本文引用格式：殷永亮，王雨時(shí)，武波涌，等.無柄手榴彈空氣動(dòng)力特性和引信爬行系數(shù)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(7):35-37.

Citation format:YIN Yong-liang, WANG Yu-shi, WU Bo-yong, et al.Aerodynamic Characteristics and Fuze Creep Overload Coefficient of Non-Stick Hand Grenade [J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):35-37.

Aerodynamic Characteristics and Fuze Creep Overload
Coefficient of Non-Stick Hand Grenade
YIN Yong-liang1, WANG Yu-shi1, WU Bo-yong2,

WEN Quan1, YAN Dong-po2, ZHANG Zhi-biao1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China;

2.Hunan Ordnance Jianhua Precision Apparatus Co., Ltd., Yongzhou 425024, China)

Abstract:In order to provide a reference for analysis on ballistic blasting of the fuze in non-stick hand grenade, aerodynamic characteristics of hand grenade when flying in different attitude were simulated by FLUENT, and then drag coefficient and fuze creep overload coefficient of the non-stick hand grenade were obtained. The drag coefficient and fuze creep overload coefficient is different at different attitude. At the same velocity, the maximum value of creep overload coefficient is about five times of the minimum value; the average drag coefficient of the hand grenade when flying in ballistic is about 0.932 5.

Key words:hand grenade; aerodynamic characteristics; drag coefficient; dynamic simulation

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【裝備理論與裝備技術(shù)】