CFD Analysis of Small Caliber Spinning Projectile with Variety Boattail and Base Configurations. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master Thesis) Hassan Khormi - MSc Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 14 May 2025. Download (3MB)

Arabic Abstract

عتبر إطالة مدى وصول المقذوفات أحد أبرز اهتمامات الباحثين في مجال المقاذيف الدوارة وعلوم المدفعية. أحد أهم الأساليب الفعالة هي تقليل قوة السحب الناتجة من قاعدة المقذوف، حيث أنها تعتبر العنصر الغالب في فترة الطيران في السرعات الحول صوتية والفوق صوتية. ويلعب تشكيل ذيل المقذوف دورا مهما في تقليل قوة السحب، لاسيما الناتجة عن قاعدة وذيل المقذوف. في هذه الرسالة استخدمت عدة أساليب خاملة لإطالة مدى المقذوفات الدوارة وطبقت على المقذوف M33 ذو العيار 12,95مم. اختلفت التصاميم من حيث تغيير ذيل المقذوف، وتضمنت تغيير زاوية الذيل واستخدام المسننات والمنحنيات وحجمين مختلفين من التجويفات. أجريت الحسابات باستخدام ديناميكا الموائع الحسابية عن طريق حل معادلات ناڨير ستوك في حالة المتوسط الوقتي والمعروفة ب(RANS). أجريت المحاكاة على سرعات متعددة ابتداء من رقم ماخ 0,6 وحتى 2,5 وزوايا هبوب بدرجات من صفر وحتى أربع درجات . تهدف المحاكاة إلى حساب قوى وعزوم ديناميكا الهواء على المقاذيف الدوارة وتتمثل في قوة السحب وقوة الرفع وقوة ماجنس وعزم الالتفاف وعزم ماجنس والعزم المو ّهن للدوران. بعد ذلك تمت مقارنة هذه القوى والعزوم لمختلف التصاميم. وقد تم التحقق من نتائج المحاكاة من خلال مقارنتها بالتجارب المخبرية والمحاكاة والتي أجريت في أبحاث ودراسات سابقة . وكذلك تمت بعض إجرائات التحقق في هذه الدراسة مثل تطبيق دراسة عدم اعتمادية الشبكة الحسابية. إضافة إلى ذلك استُخدم نموذج اضطراب حركة الموائع لمحاكاة الدوامات الكبيرة والمعروف ب(LES) على التصميم ذو الذيل المسنن على سرعة ماخ1.2. وكذلك استخدمت طريقة الحسابات المدمجة بين ديناميكا الموائع الحسابية وال معادلات الحركة ذات الست درجات، وذلك لقياس تأثير ديناميكا الهواء على استقرارية المقذوف وقياس أثر الدوران. أظهرت نتائج الدراسة أن التصاميم المختلة ساهمت في رفع أداء ديناميكا الهواء بنسب متفاوتة، تختلف باختلاف السرعة والتصميم. وأظهر نموذج اضطراب حركة الموائع لمحاكاة الدوامات الكبيرة دقة أعلى من نموذج ناڨير ستوك في حالة المتوسط الوقتي

English Abstract

Range extension got a great interest in the field of artillery and spinning projectiles. Reducing base drag is an effective way for rang extension, since it is the dominant component in transonic and supersonic Mach numbers. Boattailing is considered as one of the most implemented technique to reduce base drag. This work utilizes variety of passive drag reduction techniques over M33 12.95 mm projectile. Multiple design variations on projectile boattail and base are considered. This includes varying boattail angle, use of riblets, use of arced boattail, and introducing two different sizes of base cavity. Computations are conducted using computational fluid dynamics CFD using Ansys Fluent to solve RANS equations. Simulations are performed over Mach numbers from 0.6 to 2.5 and from 0° to 4° angle of attack. The aim of the simulations is to calculate most affecting aerodynamic forces and moments which include drag force, lift force, magnus force, magnus moment, overturning moment and spin damping moment. Then these coefficients are compared for all design variations. Results are validated by comparing with experimental and numerical results from the literature. Furthermore, a mesh independence study is done for verification and a value of y+ was ensured to be less than 1. In addition, LES model was used over M33 and over riblets BT configurations at Mach 1.2. Moreover, to investigate projectile stability, coupled CFD and six degree of freedom simulation was conducted at various spin rates. It was found that every configuration has good performance at certain speed range with regard to zero yaw drag. Also, non-linearity in magnus moment was noticed for arc BT in which it is consistent with similar configuration in the literature. Moreover, In LES the estimation was found more accurate than URANS models, when comparing to experimental results.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research Physics Aerospace Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Committee Advisor:	Al-Fifi, Salman
Committee Members:	Algarni, Abdullah and Hawwa, M.A. and Abdelrahman, W. G. and Qasem, Naef
Depositing User:	HASSAN KHORMI (g201217520)
Date Deposited:	14 May 2024 05:41
Last Modified:	14 May 2024 05:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142854