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气动阻尼对箔片的运动特性及其影响 摘要：针对箔片在运动过程中存在变角速度的转动现象，对箔片的转动问题进行了研究。首先分析了气动阻尼对箔片转动的影响，建立了箔片的运动模型及转动模型，并应用CFD计算箔片的气动力系数。然后，通过高速相机计算了箔片的转动角速度并与转动模型的仿真结果进行对比，验证了模型的准确性。最后对箔片的转动特性以及箔片云的运动扩散过程进行仿真分析，得到了箔片的转动影响箔片的运动过程并决定着箔片云的运动扩散性能的结论。 1 箔片型面源红外诱饵由上千个箔片压缩而成，诱饵发射后箔片迅速扩散形成箔片云。箔片在运动过程中，只受重力和气动力的影响。由于箔片的气动中心与重心不重合，因此存在气动力矩，使得箔片在运动过程中还伴随着转动。箔片的转动使得其所受气动力呈周期性变化，影响箔片的运动过程，并决定着箔片云的运动扩散性能。但由于箔片的转动过程中存在着障碍转动运动进行的气动阻尼，使得箔片的转动过程较为复杂。目前，国内外的学者对箔片的运动及转动进行了相应的建模研究。邹涛将箔片运动过程中的转动角速度认为是定值，并建立了箔片的运动模型由于箔片的转动过程较为复杂，涉及多学科、交叉理论。其内部既包含了数值积分算法、数学建模方法又涵盖了空气动力学、飞行力学、流体力学、理论力学、非定常流动等相关领域的知识基于此，本文对箔片的转动现象进行深入研究，建立了相对精确的箔片转动模型，并将仿真结果与实验对比，以验证模型的准确性。然后，应用建立的模型对箔片的转动特性进行分析，并仿真分析了箔片云的扩散运动过程。2 由于箔片的运动需要在地轴系内计算，而箔片的动力学方程需要在航迹坐标系内计算，因此首先需要建立箔片的地轴系定义由于箔片在整个运动过程中都是无动力的，因此在箔片运动过程中只受气动力和重力的影响。由于箔片存在特殊的对称性，且其表面较为平滑，因此气动侧力予以忽略。则其运动过程中只受到气动阻力箔片的动力学方程可以简化为 式中，箔片的运动学方程为 式中，( 式中， 式中，定义 因此可以得到速度滚转角  3 箔片的运动过程中，由于其压力中心与箔片的几何中心不重合，因此在其运动过程中受到的合外力矩不为零。作用在其上的合外力矩使得箔片高速转动，箔片的轴心线向量3.1 箔片转动模型在箔片的运动过程中，其所受的合外力矩主要由升力产生，力矩方程在速度坐标系内可表示为 式中，定义 定义=为 3.2 气动阻尼的求解箔片的转动过程中，同时还伴随着障碍转动运动进行的气动阻尼力矩设箔片的转动角速度为则转动过程中，d 式中， 联立以上公式，则可以得到箔片的运动模型和转动模型。由于箔片的角速度垂直于气流对称平面，气流对称平面又重合于速度坐标系的 式中，=4 4.1 箔片气动力系数计算本节采用CFD对箔片的气动力系数进行数值计算。计算模型的选取如下：控制方程为Navier-Stokes方程，并采用PIM-PLE算法对其进行求解；空间离散方法为空间二阶精度线性插值算法和基于有限体积的空间离散算法；时间离散方法为二阶精度的后向差分算法。初始条件设置如下：箔片表面设置成无滑移壁面，计算域的出口、入口以及其他外壁全部设置成压力远场，湍流计算模型选取SST湍流模型采用多面体网格对箔片的气动力系数进行计算，计算域为边长5000 mm的正方体，箔片位于计算域的正中心。箔片直径为50 mm, 厚度1 mm, 边界层一共设置12层，第一层厚度为104.2 箔片转动实验由于箔片运动过程中其姿态、位置变化较为明显，且与其初始状态有关，实验中难以测得其运动过程中的角速度变化规律。因此本节设计了箔片在质心静止状态下的转动实验，箔片在实验中只存在转动过程质心不存在运动，并将实验结果与建立的转动模型计算结果进行对比。箔片的直径为50 mm, 厚度1 mm, 尺寸