系留氣球整流罩形狀影響模擬研究

蘇彥華

【摘 要】系留氣球作為一種浮空器可以通過搭載不同種類的載荷在預警、通信、監測等領域有著重要的應用價值，而整流罩的存在保護載荷的同時也會引入新的問題。本文應0用Fluent軟件對三種整流罩形狀（方形、球形、球形修正）的系留氣球氣動性能進行計算，主要考察整流罩形狀對系留氣球阻力和流場的影響。模擬結果表明，方形整流罩帶來的氣動阻力最大，并會對流場產生較大的擾動；球形以及經過形態修正的整流罩帶來的阻力較小。為實際應用中系留氣球的整流罩形狀的選取提供參考。

【關鍵詞】系留氣球，整流罩形狀，數值模擬，阻力系數，流場

中圖分類號： P742；TE95 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）34-0010-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.005

0 引言

系留氣球是一種依靠其內部浮生氣體獲得浮力（主要是氦氣）并應用系留纜繩牽引的浮空器。因其具有高空定點、長時間系留以及可以搭載不同載荷等優點，在預警探測、通信、監控等領域具有重要的應用價值[1]。在實際使用中，系留氣球所搭載的載荷一般懸掛在球身的下方，為了保護載荷在工作中不被風吹雨淋登損毀，一般需要在載荷外邊加整流罩，在保護載荷的同時也起到整流的作用。

整流罩的存在一方面會對系留氣球引入多余的氣動阻力，另一方面或多或少會對流場產生干擾。因此在實際應用中對整流罩形狀的選擇十分重要。

本文應用Fluent軟件對不同整流罩形狀的系留氣球的氣動特性進行計算，比較分析了整流罩形狀對系留氣球的氣動力和流場的影響，為實際應用系留氣球整流罩形狀的選取提供參考。

1 計算過程

1.1 系留氣球模型建立

Fluent商業軟件是一個通用的CFD軟件包[2]，現在屬于ANSYS 軟件的一部分，Ansys軟件具有完整的前處理，仿真和后處理能力。其前處理過程可以直接導入三維軟件的模型進行網格劃分。本文首先應用三維建模軟件Solidworks進行系留氣球的建模，為簡化分析，建模采用縮比模型，縮比后的系留氣球模型總長1.25m。氣球的母線方程采用文獻[3]中橢圓、圓臺和球臺組合曲線。尾翼布局選取倒“Y”布局。選取三種形狀的整流罩進行模擬，分別為方形整流罩，與方形整流罩具有相同外露體積的球形整流，以及在球形的基礎上進行形狀修正的整流罩。三種模型如圖1（a）～（c）所示。

（b）球形；（c）球形并修正。

1.2 模擬設置

將模型導入Ansys，并應用Mesh模塊進行網格劃分。網格為非結構網格，在球體表面布置棱柱邊界層網格，總網格量約300萬。在Fluent模塊中進行計算。計算設置如下：采用定常模擬，湍流模型采用SST K-Omega模型[4]，球體為無滑移wall邊界。入口邊界為速度邊界，來流速度v=20m/s，來流攻角0度；出口邊界設置壓力出口。求解器采用SIMPLE求解器。應用CFD-POST模塊進行后處理。

2 結果分析

首先考察整流罩形狀對系留氣球氣動阻力的影響。在本文模擬中，系留氣球的總阻力由球身阻力、尾翼阻力以及整流罩阻力組成。分別提取三種整流罩形態的系留氣球的球身阻力系數，尾翼阻力系數，整流罩阻力系數和總阻力系數如圖2所示。可以看到，尾翼的阻力占比很小，而整流罩和球身的阻力系數大小相當，是總阻力的主要來源。通過對比可以看出，整流罩形狀對阻力的大小具有很大影響，方形整流罩會引入較大的阻力，接近球形整流罩阻力的2倍。整流罩的引入同時也會加大球身的阻力系數，這使得掛載方形整流罩的系留氣球總阻力也接近掛載球形整流罩的系留氣球總阻力的2倍，而對球形整流罩進行形狀修正則可以進一步減小氣動阻力。

為進一步揭示整流罩的影響，提取三種整流罩形狀的系留氣球表面和對稱面壓力分布如圖3所示。從圖中可以看到，在來流情況下，方形整流罩的整個迎風面上都出現的高壓，高壓區域明顯大于后兩者形狀的整流罩，而背風面則壓力較低。這是方形整流罩引起較大阻力系數的主要原因。

（c）球形并修正

通過提取對稱面上的速度分布可以清楚觀察到整流罩對流場的影響，如圖4所示。可以看出，方形整流罩會引起明顯的流動分離，在較大區域內都對流場產生影響，而后兩者形狀整流罩對流場的影響相對較小。眾所周知，風吹過球形物體之后也會出現不對稱的渦街[5]，這對系留氣球工作時的穩定性也會產生不利影響，因此在實際使用中應該對球形進行一定修正。

（b）球形；（c）球形并修正

3 結論

本文通過Fluent對三種整流罩形狀（方形、球形、球形修正）的系留氣球氣動性能進行計算。結果表明，方形整流罩帶來的氣動阻力最大，同時對整個流場的擾動也最大；而球形以及經過修正的整流罩形態帶來的阻力較小，對流場的擾動也較小。同時考慮到系留氣球在實際使用中所受的氣動阻力和穩定性，應該根據模擬結果選擇經過修正的整流罩形狀。

【參考文獻】

[1]〔英〕G.A.庫利，J.D.吉勒特/著.飛艇技術[M].王生等譯.姜魯華校.北京：科學出版社，2007.

[2]唐家鵬.FLUENT 14.0超級學習手冊.人民郵電出版社， 2013.

[3]余傳東.系留氣球容積測量研究[J].科技論壇.

[4]任志安，郝點，謝紅杰.幾種湍流模型及其在Fluent中的應用[J].化工裝備技術，2009，30（2）：38-40，44.

[5]莊禮賢，尹協遠，馬暉揚/著.流體力學[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2009.