【正文】 從而觀察升力系數(shù)與氣泡寬度之間的關(guān)系。根據(jù) 0 度攻角時(shí)，三條曲線的對比可以看出，氣泡長度越長升力系數(shù)越大，但是影響不大。不同氣泡長度 ， 升力 系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 升力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 攻角為8 度，不同氣泡長度，升力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4長2 0長3 0長4 0攻角為1 2 度，不同氣泡長度，升力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化010 1 2 3 4長2 0長3 0長4 0 圖 攻角為 8176。綜上所述，攻角是影響升力系數(shù)的主要因素。 馬赫數(shù)為0 . 8 ，不同氣泡長度，升力系數(shù)隨攻角的變化00 5 10 15長2 0長3 0長4 0馬赫數(shù)為1 . 0 3 ，不同氣泡長度，升力系數(shù)隨攻角的變化010 5 10 15長2 0長3 0長4 0 圖 Ma=， 不同 氣泡長度 ， 圖 =， 不同 氣泡長度 ， 升力 系數(shù)隨攻角變化 圖 升力 系數(shù)隨攻角變化圖 馬赫數(shù)為2 ，不同氣泡長度，升力系數(shù)隨攻角的變化00 5 10 15長2 0長3 0長4 0馬赫數(shù)為3 ，不同氣泡長度，升力系數(shù)隨攻角的變化00 5 10 15長2 0長3 0長4 0 圖 Ma=2， 不同 氣泡長度 ， 圖 Ma=3， 不同 氣泡長度 ， 升力 系數(shù)隨攻角變化 圖 升力 系數(shù)隨攻角變化圖 由以上曲線對比看出馬赫數(shù)不同時(shí)，其升力系數(shù)曲線變化趨勢相似。 通過改變氣泡長度觀察彈丸的升力特性，設(shè)定微氣泡長度分別為 20mm、30mm、 40mm。首先由亞音速到跨音速，隨著馬赫數(shù)增加阻力系數(shù)增大，到 Ma= 時(shí)達(dá)到最大值 。說明僅僅攻角變化對氣動(dòng)力的影響不大。不同氣泡數(shù)量 ， 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 不同攻角和馬赫數(shù)時(shí)，阻力系數(shù)變化 對于同一個(gè)模型 ， 當(dāng)來流馬赫數(shù)固定，隨著攻角的變化，阻力系數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化 。 攻角為0 度，不同氣泡數(shù)量，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4358攻角為5 度，不同氣泡數(shù)量，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4358 圖 攻角為 0176。 由以下曲線對比看出攻角一定得情況下，不同 氣泡數(shù)量 的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化趨勢相似。、 5176。 阻力系數(shù)隨攻角的變化 圖 到圖 分別為 氣泡長度為 30mm， 寬度 2mm， 高度 1mm， Ma=、 3，不同 數(shù)量 時(shí)，阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線。不同氣泡高度 ， 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 攻角為8 度，不同氣泡高度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 41攻角為1 2 度，不同氣泡高度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 41 圖 攻角為 8176。首先由亞音速到跨音速，隨著馬赫數(shù)增加阻力系數(shù)增大， 在 Ma= 時(shí) 阻力系數(shù) 達(dá)到最大值 。、 8176。由以下曲線對比看出馬赫數(shù)一定得情況下，不同 氣泡高度 的阻力系數(shù)隨攻角的變化趨勢相似。不同 氣泡寬度 ， 圖 攻角為 12176。從跨音速到超音速時(shí)，隨著馬赫數(shù)的增加阻力系數(shù)變小，到 Ma=3 時(shí)，達(dá)到最小值。、12176。都是隨著攻 角的增大阻力系數(shù) 增長 ， 但是 、 3 馬赫數(shù)時(shí)阻力系數(shù)增長值較 馬赫數(shù)時(shí)增長值小，說明 在跨音速時(shí)，氣泡寬度 對氣動(dòng)特性的影響 很大 。 不同氣泡寬度時(shí)，阻力系數(shù)變化 通過改變 氣泡寬度 觀察 彈丸 的氣動(dòng)特性， 將氣泡寬度分別設(shè)置為三種不同值， 即 、 2mm、 。不同氣泡長度 ， 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 如圖 至 所示 ，所有阻力系數(shù)曲線增長趨勢基本一致，且隨馬赫數(shù)的變化都遵循很理想的規(guī)律 :從亞音速到跨音速時(shí)阻力系數(shù)增大，在 Ma= 時(shí)，阻力系數(shù)達(dá)到最大。 攻角為0度，不同氣泡長度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4203040攻角為5 度，不同氣泡長度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4203040 圖 攻角為 0176。如圖 中，攻角 α=8176。 xc 為阻力系數(shù)，則其表達(dá)式為： SvRc xx 22?? (42) 不同氣泡長度時(shí)，阻力系數(shù)變化 通過改變 氣泡長度 來觀察 彈丸 的氣動(dòng)特性， 將 30mm 長度的氣泡作為標(biāo)準(zhǔn)，在此長度基礎(chǔ)上分 別加減 10mm，得到三種不同長度的模型， 下面主要依據(jù) Fluent算得的數(shù)據(jù)來得出不同 氣泡長度 對 彈丸 氣動(dòng)特性的影響，從而觀察阻力系數(shù)與不同 氣泡長度 之間的關(guān)系 阻力系數(shù)隨攻角的變化 圖 到圖 為氣泡寬度 2mm、高度 1mm、數(shù)量 3 個(gè)， Ma=、 、 3，不同 氣泡長度 時(shí)，阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線。由于微氣泡陣列中每個(gè)微氣泡是單獨(dú)控制，因此微氣泡陣列有多種排列形式，下面主要針對微氣泡的尺寸和數(shù)量兩個(gè)方面來研究彈丸的氣動(dòng)力。 圖 和 分別是 Ma= 時(shí)攻角為 0176。原彈型和制動(dòng)彈的速度云圖，如圖可 見與超音速時(shí) 速度云圖 曲線類似， 微氣泡同樣對彈丸的氣流產(chǎn)生擾動(dòng)。 跨音速模擬對比 如圖 和 分別是 Ma= 攻角為 0176。由于微氣泡作用后，氣流流經(jīng)彈體頭部時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)干擾影響。時(shí)原彈型繞流流場的壓力云圖，對于原彈型在彈頭部附近由于超音速來流的作用形成了高壓區(qū)，由于彈頭是曲母線，物面的折射使氣流壓縮，產(chǎn)生一系列激波。下面是在超音速 、跨音速、亞音速 來流下的繞流流場圖片，從以下圖片中可以直觀地看到彈體不同位置受力情況、激波的位置、激波的強(qiáng)弱、渦流區(qū)以及壓強(qiáng)高低的區(qū)別。、 8176。 (5) 收斂準(zhǔn)則以差分方程表示的連續(xù)方程兩邊的計(jì)算差小于 為基準(zhǔn)。 圖 流場網(wǎng)格劃分圖 圖 彈丸表面網(wǎng)格圖 基于 Fluent 的計(jì)算方法 (1) 彈丸在大氣中飛行，選取計(jì)算域 邊界條件為壓力遠(yuǎn)場 (passfarfiled),計(jì)算域 流體物質(zhì)為理想空氣 (ideagas)：氣壓： 101325?P Pa 溫度： ?T K 密度： ?? kg/m3。圖 是 彈丸表面網(wǎng)格 ，由于彈體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以在 GAMBIT 中選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對 流場進(jìn)行劃分 。 kMbkje f fkjii SYGGxkxkuxkt ????????????? ??? ??????? ?????? )()( （ ） ??????? ?????????? SRkCGCGkCxxuxt bje f fjii ????????????? ??? ??????? 2231 )()()( () 式中： kG — 由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； bG — 由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； MY — 在可壓縮湍流中過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)； ?1C 、 ?2C 、 ?3C — 常數(shù)； k? 、 ?? — k方程和 ε 方程中的湍流普朗特?cái)?shù)； kS 、 ?S — 用戶定義的源項(xiàng)。 RNG 模型還采用了解析表達(dá)式計(jì)算湍流普朗特?cái)?shù)，比標(biāo)準(zhǔn) ??k 模型中采用用戶定義常量要準(zhǔn)確。 當(dāng)前工程研究領(lǐng)域有多種湍流模型，如 SpalartAllamaras 模型、標(biāo)準(zhǔn) kε模型， RNG kε 湍流模型等。第一項(xiàng)表 示控制體內(nèi)部質(zhì)量增量，第二項(xiàng)表示通過控制面的凈通量。 計(jì)算流體力學(xué)的基本方程是這些守恒定律的描述，下面詳細(xì)介紹這些基本守恒定律對應(yīng)的控制方程 [2630]。首先利用 Pro/e 進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的建立 ； 然后利用 GAMBIT 進(jìn)行網(wǎng)格的生成以及邊界類型的設(shè)定，輸出后導(dǎo)入 FLUENT； 最后利用 FLUENT 求解器對流 動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。對于用戶關(guān)心的參數(shù)和計(jì)算中的誤差可以隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤顯示。 Gambit 的主要功能是集合建模和網(wǎng)格劃分， Fluent 的功能是流場的解算及后處理。 3. 多網(wǎng)格支持功能 Fluent 軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，不僅支持混合網(wǎng)格、動(dòng) /變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格還支持支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格。 2. 先進(jìn)的動(dòng) /變形網(wǎng)格技術(shù) Fluent 在解決邊界移動(dòng)的問題時(shí)采用動(dòng)網(wǎng)和滑移網(wǎng)格技術(shù)。 Fluent 軟件簡介 Fluent 是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)及熱傳導(dǎo)的計(jì)算程序。其應(yīng)用空氣流動(dòng)所滿足的 stoksNaver? 方程、來流性質(zhì)及彈箭外形的邊界條件，采用有限差分或有限體積法，將流場分成許多網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值積分運(yùn)算，獲得作用在彈表每一微元上的壓強(qiáng)，再進(jìn)行全彈積分求得各個(gè)氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩分量。其中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法需要彈箭的縮比模型，吹風(fēng)風(fēng)洞，且根據(jù)風(fēng)洞吹風(fēng)的能力，只能獲取有限個(gè)離散點(diǎn)的近似數(shù)據(jù)。 本章小結(jié) 本章闡述了微氣泡制動(dòng)器的工作原理，確定了微氣泡制動(dòng)器的幾何參數(shù)，選用了符合需求的硅酮橡膠作為微氣泡致動(dòng)器氣泡外殼材料，采 用以表面加工為主的加工方法對微氣泡致動(dòng)器的工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。變形位移隨著膜片厚度的增加而線性地減小。較小的寬度將是變形位移的限制因素。 。 圖 載荷 2psi 時(shí)微氣泡變形圖 圖 載荷 7psi 時(shí) 微氣泡變形圖 單向影響位移變形分析 為了分析輸入壓力以及薄膜幾何形狀對薄膜變形位移的影響，分別按以下幾組情況進(jìn)行了仿真： （ a） 輸入壓力 5000pa 、 10000pa 、 15000pa ； （ b） 薄膜長度 6000 m? 、 7000 m? 、 8000 m? ； （ c） 薄膜寬度 20xx m? 、 2200 m? 、 2400 m? ； （ d） 薄膜厚度 150 m? 、 200 m? 、 250 m? 。 表 微氣泡薄膜不同壓力條件下變形位移 壓力 P(psi) 變形位移 h(mm) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制壓力 — 變形位移關(guān)系曲線如圖 所示： 0 2 4 6 8 10 1200 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 4壓力 P ( p s i )變形位移h（mm） 圖 微氣泡制動(dòng)器的壓力 — 變形位移理論曲線 數(shù)值仿真 對微氣泡薄膜進(jìn)行靜力測試這一環(huán)節(jié)，我們采用有限元分析軟件 ANASYS 對其進(jìn)行分析，也作為驗(yàn)證上面計(jì)算數(shù)值的有效手段。因此 a=， b=， t=， n=。 微氣泡制動(dòng)器機(jī)械測試 完整的微氣泡制動(dòng)器在加工之后，必須利用實(shí)驗(yàn)裝置來測試其輸入壓力與微氣泡薄膜位移變形之間的關(guān)系，以檢測硅酮橡膠是否能產(chǎn)生應(yīng)有的位移變形以及其承載能力。在這種情況下，設(shè)計(jì)的包裝便于在頭錐內(nèi)安裝 32 個(gè)微氣泡驅(qū)動(dòng)器，從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，這樣微氣泡驅(qū)動(dòng)器的頂面正好填滿那種允許范圍內(nèi)的無匹配值（不大于 5μm）得頭錐（在癟的情況下）。驅(qū)動(dòng)器的集成與互相連接和設(shè)計(jì)傳感器，一是整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)能夠安裝 在頭錐內(nèi)。最后要將上下兩層結(jié)構(gòu)組合到一起，形成封閉的內(nèi)部氣流通道，為了避免了高溫對硅酮橡膠產(chǎn)生的影響，采用低溫鍵合技術(shù)。 微氣泡致動(dòng)器的上層結(jié)構(gòu)的主要工藝步驟如下圖 所示。 聚對二甲苯是一種保護(hù)性高分子材料， 氣相沉積法 制作生成， 摩爾比的對二甲苯與水蒸氣在高溫下作用產(chǎn)生對二甲苯雙自由基，然后導(dǎo)入 90 176。 圖 微氣泡致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸 工藝流程 微氣泡制動(dòng)器的制作采用微機(jī)械加工技術(shù)，微機(jī) 械加工技術(shù)主要應(yīng)用于制作微型機(jī)電系統(tǒng)、微致動(dòng)器、為傳感器等。 微氣泡薄膜的厚度為 100~150um，單個(gè)微氣泡尺寸為 ，如圖2 所示。 cm) 1015 溫度范圍 (℃ ) 55200 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸 微氣泡致動(dòng)器由上下兩層構(gòu)成。 圖 在壓力氣體作用下微氣泡產(chǎn)生致動(dòng) 微氣泡制動(dòng)器陣列設(shè)計(jì) 微氣泡薄膜材料 微氣泡制動(dòng)器結(jié)構(gòu)中微氣泡薄膜是關(guān)鍵的部分，根據(jù)微氣泡工作原理，要 求微氣泡在充入氣體的情況下能迅速產(chǎn)生變形，并且要承載一定的載荷，研究表明[14]，硅酮橡膠材料具有良好的機(jī)械性能能夠滿足這種需求，這種材料延展率高、模量低而且具有良好的密封性。