切變風與擺動對系留艇錨泊氣動特性影響研究*

胡磊，任淑杰，張慶兵

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

仿真技術

切變風與擺動對系留艇錨泊氣動特性影響研究*

胡磊，任淑杰，張慶兵

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

根據系留艇錨泊狀態復雜地形環境特征，對系留艇進行了氣動特性仿真和分析，首次將切變風和自身擺動影響納入到氣動仿真當中,結果表明：地形環境的影響尤其是地面效應會使飛艇周圍流場發生顯著改變，從而改變飛艇氣動力和力矩；飛艇自身的擺動會使艇身氣動力大小和方向產生周期性的變化，其變化率與飛艇擺動頻率密切相關；短時間劇烈變化的切變風對飛艇來說會產生“滯后性”和“彈簧效應”，使得艇身氣動載荷增大的同時艇身氣動力的極性也會發生改變，這對于飛艇飛行安全來說結果是致命的。

系留艇；切變風；非定常；錨泊；擺動；氣動特性

0 引言

某系留艇在錨泊期間遭遇大風，導致頭錐連接桿斷裂，造成艇體及艇上設備損壞。之前設計未考慮復雜地形環境對飛艇氣動特性的影響，也沒考慮大氣切變風以及飛艇擺動引起的非定常氣動效應，導致氣動特性預示與實際情況有很大差異。為了準確預示系留艇錨泊時在惡劣氣候環境下所受的氣動力，確認氣動載荷輸入，需要開展系留艇錨泊狀態下靜態與動態氣動力仿真計算。其中，本文靜態仿真部分建模時不僅考慮了錨泊狀態下的地面效應，而且將周圍板房、山脈、丘陵等復雜地形環境納入到仿真模型當中；動態仿真部分包括2個方面：一是將系留艇失效前30 s內的隨風擺動做了動態仿真， 給出了不同時刻系留艇所受氣動力的變化規律；二是對系留艇遭遇短時間風速急劇變化的切變風來流狀態進行了仿真模擬，給出了切變風效應對系留艇氣動特性的影響規律。

1 仿真模型與計算要求

本文仿真采用不可壓來流條件，湍流模型采用k-ε模型，壁面采用無滑移邊界條件，求解N-S流體控制方程[1-5]。計算工況包括靜態仿真和動態仿真2個部分，其中靜態仿真還包括對垂直向下來流、橫向來流、尾部來流3個極端惡劣風場條件的模擬；動態仿真包括2個方面，一方面是模擬飛艇失效前30 s內隨風擺動的工況，近似認為側滑角按正弦函數變化，初始攻角和側滑角均為0°，擺動方程如下(rad)：

β=0.523 6 sin(0.07t).

另一方面是模擬切變風對飛艇非定常氣動特性的影響，本文仿真所采用的切變風模型為經典的海平面切變風模型，來流方向無變化，風速在1 s內從1 m/s急劇變化到23 m/s，系留艇側滑角18°，攻角0°。

地面方位示意圖如圖1所示，地面坐標系Oxyz原點O與飛艇質心重合，Oz軸指向正北方向，Ox軸指向正西方向，Oy軸垂直地面向上；飛艇體軸系O1x1y1z1原點O1與飛艇質心重合,O1y1軸垂直地面向上，O1x1為艇體中心軸線由艇頭指向艇尾方向，O1z1與O1x1y1成右手法則。

圖1 地面方位示意圖Fig.1 Geographic sketch map

2 網格生成方法

采用嵌套網格方法[6-8]，包括飛艇網格部分與山脈、板房等地形網格部分，2部分網格均為純6面體網格，其中飛艇網格部分網格量在800萬左右，為避免板房網格伸入到飛艇網格當中，需要對飛艇頭部周圍區域進行斜切；飛艇尾部為充氣材料，為得到更高精度的仿真結果，特別是尾部阻力，網格劃分時對飛艇尾部進行了精細化處理，如圖2所示，為避免飛艇網格伸出地形網格之外，飛艇網格上下為不對稱結構。地形網格部分山脈覆蓋范圍較廣且外部形狀非常不規則，如果全部精確模擬的話網格量在7 000萬以上，考慮到后續動態計算及仿真周期的原因，對地形網格進行了適當的簡化，簡化后的地形網格量在3 000萬左右，示意圖如圖3所示，簡化原則[9-12]包括以下幾點：

(1) 山脈、丘陵數量不變；

(2) 單個山脈等高線數量不變；

(3) 主要對山脈不規則坡面進行簡化，去除斜率突變點，光滑漸變。

圖2 飛艇尾部網格細節Fig.2 Grid details of the aerostat empennage

圖3 嵌套網格截面圖Fig.3 Sectional view of overset grids

3 靜態仿真結果分析

靜態仿真給出了板房、山脈、地面等復雜地理環境及惡劣氣象條件下飛艇的氣動特性，此時系留艇偏航角為13°。

圖4給出了飛艇錨泊與滯空狀態法向力系數隨攻角的變化曲線，由圖可知，在板房、地面、山脈的共同影響下，飛艇零升攻角后移，法向力系數隨攻角變化的斜率減?。粓D5給出了不同側滑角下cz1隨攻角變化曲線，由圖可知，在相同側滑角下，隨著攻角的增加，cz1絕對值逐漸減小，側滑角越大減小的斜率越大；圖6給出了不同攻角下cz1隨側滑角的變化曲線，由圖6可知，相同攻角下隨著側滑角的增加，cz1都是逐漸增大的，且攻角越小，cz1增大的斜率越大；圖7給出了極端惡劣風場條件下流場壓力分布云圖，由圖7可知，當來流垂直向下時，整個地面均為滯止區域，在山脈斜率較大坡面會存在低壓加速區，當側滑角較大時，飛艇側緣會產生明顯的側緣吸力，當遭遇橫向來流時，飛艇整個側面為高壓滯止區域。

圖4 法向力系數隨攻角變化曲線Fig.4 Normal force curve with angle of attack

圖5 不同側滑角下cz1隨攻角的變化曲線Fig.5 cz1 force curve with angle of attack

圖6 不同攻角下cz1隨側滑角的變化曲線Fig.6 cz1 force curve with sideslip angle

圖7 極端惡劣風場條件下流場壓力分布云圖Fig.7 Pressure contour under extreme wind conditions

4 動態仿真結果分析

動態仿真部分旨在通過對系留艇失效時刻[13]和極限來流條件下的仿真得到地面坐標系下系留艇本身的非定常氣動力，從而確認氣動載荷的極值輸入和非定常輸入，為展開飛艇運動仿真分析[14-15]、摸清質量問題提供輸入條件。動態仿真包括2個方面，第1個方面是在靜態仿真基礎上考慮系留艇自身非定常擺動對其動態氣動特性的影響研究；第2個方面是考慮短時間風速急劇變化的切變風對系留艇非定常氣動特性的影響研究。

4.1 非定常擺動

系留艇擺動頻率為0.011 1，擺幅為30°，初始時刻側滑角為0°，偏航角為13°，圖8給出了初始時刻流場壓力分布云圖，由圖8可看出初始時刻系留艇存在繞y軸的轉動速度使得尾翼迎風面壓力升高；圖9給出了系留艇初始時刻艇身流線圖，由圖9可看出，由于采用物面無滑移邊界條件艇身表面流線隨飛艇一起擺動，存在一個明顯的繞艇頭的旋轉速度；圖10給出了系留艇多個擺動周期內艇身氣動力和氣動力矩隨時間的變化曲線，在系留艇一個擺動周期內，cx,cmy與艇身擺動頻率相同，但兩者相位相反，即當系留艇擺動初始時刻cx達到最大極值而cmy達到最小極值，當系留艇繞y軸順時針(從上往下看)轉到初始位置時(此時系留艇偏航角為13°，側滑角0°)，cx達到最小極值，cmy達到最大極值，cz變化頻率基本為艇身擺動頻率的兩倍，這是由于隨著系留艇的擺動，系留艇法向受力和軸向受力在z軸的分量始終一致，而在x軸的分量法向力與軸向力始終相反，這就使得z向的氣動力能較快的達到極值。

圖8 系留艇擺動初始時刻物面壓力分布云圖Fig.8 Surface pressure contour at initial time

圖9 系留艇擺動初始時刻艇身流線圖Fig.9 Surface streamline at initial time

圖10 多個擺動周期內系留艇氣動力變化曲線Fig.10 Aerodynamic force curves in several swing cycles

4.2 切變風

本文仿真所采用的切變風模型為經典的海平面切變風模型，來流方向無變化，風速在1 s內從1 m/s急劇變化到23 m/s，此時系留艇側滑角為18°，偏航角為13°。圖11給出了切變風與定常風系留艇cz隨時間的變化曲線，圖12給出了切變風與定常風系留艇cx隨時間的變化曲線，由圖可看出，與定常風相比，短時間劇烈變化的切變風對飛艇來說會產生“滯后性”和“彈簧效應”，即在切變風初始時刻飛艇所受氣動力比定常風狀態所受氣動力偏小，隨著時間的推移，飛艇上所受的氣動力會迅速變大，且會產生極性的變化，不同極性方向氣動力和力矩的大小可能比定常狀態大很多倍，這對于飛行器來說結果是致命的，目前對于切變風的應對措施還沒有很好的手段，因此對于切變風的預警才是首要任務。

圖11 切變風與定常風系留艇cz隨時間的變化曲線Fig.11 cz force curves with time

圖12 切變風與定常風系留艇cx隨時間的變化曲線Fig.12 cx force curves with time

5 結束語

本文靜態仿真部分將系留艇外場試驗時周邊板房、山脈、丘陵等復雜地形環境引入到流場計算當中，動態仿真部分首次將切變風和自身非定常擺動影響納入到飛艇氣動計算當中，結果表明 ：

(1) 地形環境的影響尤其是地面效應會使飛艇周圍流場發生顯著改變，從而使得飛艇所受氣動力和力矩發生改變；

(2) 飛艇自身的擺動會使艇身氣動力大小和方向產生周期性的改變，其變化率與飛艇擺動頻率密切相關；

(3) 短時間劇烈變化的切變風對飛艇來說會產生“滯后性”和“彈簧效應”，不僅使得艇身氣動載荷增大好幾倍，而且會使艇身氣動力發生極性的改變，這對于飛行器來說結果是致命的。

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Shear Wind and Unsteady Swing’s Impact upon Aerodynamic Characteristics of Anchored Tethered Aerostat

HU Lei，REN Shu-jie，ZHANG Qing-bing

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

A numerical simulation is carried outto analyze the aerodynamic characteristics of the tethered aerostat according to the complex terrain environment. And the impact of shear wind and unsteady swing is incorporated into the simulation for the first time. The results show that, the influence of the complex terrain environment especially ground effect can make the air flow around aerostat change significantly, which result in the changes of the aerodynamic force and moment of the aerostat; The changing frequency of the size and direction of the aerodynamic force of the aerostat is closely related to the swing frequency.The shear wind with violent size change within short time will have a “lag” and “spring” effect, which not only increase the size of the aerodynamic loading, but also makes the polarity of the aerodynamic force change, which is fatal to the aerostat.

tethered aerostat; shear wind; unsteady; anchor; swing; aerodynamic characteristics

2015-12-28；

2016-01-11

有

胡磊(1981-)，男，江西景德鎮人。高工，碩士，主要研究方向為空氣動力學仿真技術與實驗技術。

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.06.026

V274；V211.3;TP391.9

A

1009-086X(2016)-06-0155-05

通信地址：100854 北京市142信箱30分箱

E-mail：239673880@qq.com