系留氣球尾翼面積影響模擬研究

蘇彥華

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系留氣球尾翼面積影響模擬研究

蘇彥華

（海軍聯合海情中心，北京 100841）

系留氣球作為一種浮空器，在預警、通信、監測等領域有著重要的應用價值，而系留氣球的尾翼對其在有風情況下的穩定性具有重要的影響。應用Ansys軟件對經典倒“Y”形尾翼布局的系留氣球流場進行模擬。主要考察尾翼面積對氣球阻力和俯仰力矩的影響。模擬選取三種不同面積的尾翼，結果表明，隨著尾翼面積的增加，有攻角來流情況下氣球的恢復力矩會明顯增加，同時，系留氣球受到的阻力也會增加。對系留氣球尾翼面積的選取需要根據實際情況權衡考慮。

系留氣球；尾翼面積；數值模擬；俯仰力矩

1 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]。系留氣球既可以作為軍用雷達的載體，進行大范圍的軍事偵察和探測，也可以搭載民用監控設備，為大型集會、賽事等提供安全保障。

與飛機等高速飛行器不同，系留氣球工作時主要在高空定點系留，其升力完全來源于內部氣體的浮力，氣動升力基本可以忽略，一般情況下也不存在機翼。但是系留氣球為了滿足高空長時間停留的要求，必須具有一定的抗風能力[2]。在氣球整體氣動布局確定之后，尾翼便在保持氣球穩定性方面扮演著重要的角色。因此，系留氣球尾翼參數是重要的研究對象[3]。

本文應用Ansys軟件對不同尾翼面積的系留氣球的氣動特性進行計算，比較分析尾翼面積對系留氣球的氣動力和俯仰力矩的影響，為實際應用中系留氣球尾翼面積的選取提供參考。

2 計算過程

2.1 系留氣球模形建立

Ansys是最流行的仿真軟件之一，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形進行網格劃分。本文首先應用三維建模軟件Solidworks進行系留氣球的建模，為了簡化分析，建模采用縮比模型，縮比后的系留氣球模形總長1.25 m。氣球的母線方程采用文獻[4]中橢圓、圓臺和球臺組合曲線。尾翼布局選取倒“Y”布局，其中一尾翼在上，其余兩個尾翼與上尾翼分別成120°角。尾翼翼形選取NACA 0018標準對稱翼形，尾翼面積選取三種不同大小，應用單個尾翼外露面積w與裸球體體積的2/3次方之比作為尾翼的無量綱面積，分別為0.02，0.23，1.08.一般在系留氣球下方會裝有整流罩以對所掛的載荷進行保護，從而在分析模擬中忽略整流罩的影響。三種模形如圖1所示。

圖1 不同尾翼面積的系留氣球模形

2.2 模擬設置

將模形導入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。在網格劃分完畢之后導入Fluent模塊中進行計算。計算設置如下：采用定常模擬；湍流模形采用SST K-Omega模形[5]；球體為無滑移wall邊界；入口邊界為速度邊界，來流速度=20 m/s，來流攻角15°；出口邊界設置壓力出口；求解器采用SIMPLE求解器。在計算收斂之后將結果導入CFD-Post模塊進行后處理。

3 結果分析

考察尾翼面積對飛艇阻力的影響。在本研究中球體的總阻力由球身阻力和尾翼阻力兩部分組成，分別提取系留氣球的球身阻力系數，尾翼阻力系數和總阻力系數隨著尾翼面積的變化如圖2（a）所示。從圖2中可以看到，隨著尾翼面積的增加，三種阻力都明顯增加。進一步觀察發現，球體的阻力系數一直大于尾翼阻力系數。這說明尾翼面積增大導致的總阻力增加不僅僅是尾翼本身帶來的阻力，尾翼的存在也會改變球體周圍的壓力分布，進而使得球體本身的阻力也變大。這與飛艇的結果相吻合[6]。

接下來考察尾翼對球體俯仰穩定性的影響，提取系留氣球的球身俯仰力矩系數，尾翼俯仰力矩系數和總俯仰力矩系數隨尾翼面積的變化如圖2（b）所示。此處要說明，圖2（b）中的俯仰力矩系數的正負所代表的是力矩方向，在本文模擬中，俯仰力矩為正代表低頭力矩。從圖2中可以看到，隨著尾翼面積的增加，三種俯仰力矩均增加。這代表的是系留氣球順槳能力和恢復原有姿態的能力增加。在尾翼面積很小時可以看到，總俯仰力矩為負數，這表明此時系留氣球俯仰是不穩定的，容易在實際應用中出現事故。而隨著尾翼面積的增加，俯仰力矩迅速增加，俯仰穩定性得到了明顯改善。

為進一步揭示尾翼的作用機理，提取三種尾翼面積的系留氣球表面和周圍壓力分布如圖3所示。可以看到，隨著尾翼面積的增加，尾翼上表面的負壓區面積逐漸增加，這將導致尾翼俯仰力矩的增加，而尾翼的存在也會改變球體表面的壓力分布，進而導致球身俯仰力矩的改變。

圖3 尾翼面積對壓力分布的影響

4 結論

本文通過Ansys對不同尾翼面積的系留氣球氣動性能進行計算得出，在15°攻角來流的情況下，隨著尾翼面積的增加，系留氣球的俯仰穩定性逐漸增加，這說明尾翼在系留氣球穩定性方面具有重大影響，實際應用中必須選取一定面積的尾翼。同時，尾翼面積的增加也會導致氣球阻力的增加，此外也會為氣球的配重帶來困難。因此，在實際應用中應根據實際情況權衡選取尾翼面積。

［1］G.A.庫利，J.D.吉勒特.飛艇技術［M］.北京：科學出版社，2007.

［2］劉傳超，李琦.系留氣球地面系留狀態氣動分析［J］.西安航空學院學報，2016，34（05）.

［3］易正清.系留氣球尾翼參數氣動設計研究［J］.長沙航空職業技術學院學報，2009（03）.

［4］余傳東.系留氣球容積測量研究［J］.科技論壇，2017（18）.

［5］任志安，郝點，謝紅杰.幾種湍流模形及其在Fluent中的應用［J］.化工裝備技術，2009，30（02）：38-40，44.

［6］李天娥.軟式平流層飛艇的氣動性能與多目標優化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

2095－6835（2019）01－0136－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.136

蘇彥華（1972—），男，河北衡水人，高級工程師，碩士研究生，研究方向為電子對抗雷達裝備，現從事電子對抗雷達裝備需求及應用研究工作。

〔編輯：張思楠〕