切变风与摆动对系留艇锚泊气动特性影响研究*

胡磊，任淑杰，张庆兵

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

仿真技术

切变风与摆动对系留艇锚泊气动特性影响研究*

胡磊，任淑杰，张庆兵

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

根据系留艇锚泊状态复杂地形环境特征，对系留艇进行了气动特性仿真和分析，首次将切变风和自身摆动影响纳入到气动仿真当中,结果表明：地形环境的影响尤其是地面效应会使飞艇周围流场发生显著改变，从而改变飞艇气动力和力矩；飞艇自身的摆动会使艇身气动力大小和方向产生周期性的变化，其变化率与飞艇摆动频率密切相关；短时间剧烈变化的切变风对飞艇来说会产生“滞后性”和“弹簧效应”，使得艇身气动载荷增大的同时艇身气动力的极性也会发生改变，这对于飞艇飞行安全来说结果是致命的。

系留艇；切变风；非定常；锚泊；摆动；气动特性

0 引言

某系留艇在锚泊期间遭遇大风，导致头锥连接杆断裂，造成艇体及艇上设备损坏。之前设计未考虑复杂地形环境对飞艇气动特性的影响，也没考虑大气切变风以及飞艇摆动引起的非定常气动效应，导致气动特性预示与实际情况有很大差异。为了准确预示系留艇锚泊时在恶劣气候环境下所受的气动力，确认气动载荷输入，需要开展系留艇锚泊状态下静态与动态气动力仿真计算。其中，本文静态仿真部分建模时不仅考虑了锚泊状态下的地面效应，而且将周围板房、山脉、丘陵等复杂地形环境纳入到仿真模型当中；动态仿真部分包括2个方面：一是将系留艇失效前30 s内的随风摆动做了动态仿真， 给出了不同时刻系留艇所受气动力的变化规律；二是对系留艇遭遇短时间风速急剧变化的切变风来流状态进行了仿真模拟，给出了切变风效应对系留艇气动特性的影响规律。

1 仿真模型与计算要求

本文仿真采用不可压来流条件，湍流模型采用k-ε模型，壁面采用无滑移边界条件，求解N-S流体控制方程[1-5]。计算工况包括静态仿真和动态仿真2个部分，其中静态仿真还包括对垂直向下来流、横向来流、尾部来流3个极端恶劣风场条件的模拟；动态仿真包括2个方面，一方面是模拟飞艇失效前30 s内随风摆动的工况，近似认为侧滑角按正弦函数变化，初始攻角和侧滑角均为0°，摆动方程如下(rad)：

β=0.523 6 sin(0.07t).

另一方面是模拟切变风对飞艇非定常气动特性的影响，本文仿真所采用的切变风模型为经典的海平面切变风模型，来流方向无变化，风速在1 s内从1 m/s急剧变化到23 m/s，系留艇侧滑角18°，攻角0°。

地面方位示意图如图1所示，地面坐标系Oxyz原点O与飞艇质心重合，Oz轴指向正北方向，Ox轴指向正西方向，Oy轴垂直地面向上；飞艇体轴系O1x1y1z1原点O1与飞艇质心重合,O1y1轴垂直地面向上，O1x1为艇体中心轴线由艇头指向艇尾方向，O1z1与O1x1y1成右手法则。

图1 地面方位示意图Fig.1 Geographic sketch map

2 网格生成方法

采用嵌套网格方法[6-8]，包括飞艇网格部分与山脉、板房等地形网格部分，2部分网格均为纯6面体网格，其中飞艇网格部分网格量在800万左右，为避免板房网格伸入到飞艇网格当中，需要对飞艇头部周围区域进行斜切；飞艇尾部为充气材料，为得到更高精度的仿真结果，特别是尾部阻力，网格划分时对飞艇尾部进行了精细化处理，如图2所示，为避免飞艇网格伸出地形网格之外，飞艇网格上下为不对称结构。地形网格部分山脉覆盖范围较广且外部形状非常不规则，如果全部精确模拟的话网格量在7 000万以上，考虑到后续动态计算及仿真周期的原因，对地形网格进行了适当的简化，简化后的地形网格量在3 000万左右，示意图如图3所示，简化原则[9-12]包括以下几点：

(1) 山脉、丘陵数量不变；

(2) 单个山脉等高线数量不变；

(3) 主要对山脉不规则坡面进行简化，去除斜率突变点，光滑渐变。

图2 飞艇尾部网格细节Fig.2 Grid details of the aerostat empennage

图3 嵌套网格截面图Fig.3 Sectional view of overset grids

3 静态仿真结果分析

静态仿真给出了板房、山脉、地面等复杂地理环境及恶劣气象条件下飞艇的气动特性，此时系留艇偏航角为13°。

图4给出了飞艇锚泊与滞空状态法向力系数随攻角的变化曲线，由图可知，在板房、地面、山脉的共同影响下，飞艇零升攻角后移，法向力系数随攻角变化的斜率减小；图5给出了不同侧滑角下cz1随攻角变化曲线，由图可知，在相同侧滑角下，随着攻角的增加，cz1绝对值逐渐减小，侧滑角越大减小的斜率越大；图6给出了不同攻角下cz1随侧滑角的变化曲线，由图6可知，相同攻角下随着侧滑角的增加，cz1都是逐渐增大的，且攻角越小，cz1增大的斜率越大；图7给出了极端恶劣风场条件下流场压力分布云图，由图7可知，当来流垂直向下时，整个地面均为滞止区域，在山脉斜率较大坡面会存在低压加速区，当侧滑角较大时，飞艇侧缘会产生明显的侧缘吸力，当遭遇横向来流时，飞艇整个侧面为高压滞止区域。

图4 法向力系数随攻角变化曲线Fig.4 Normal force curve with angle of attack

图5 不同侧滑角下cz1随攻角的变化曲线Fig.5 cz1 force curve with angle of attack

图6 不同攻角下cz1随侧滑角的变化曲线Fig.6 cz1 force curve with sideslip angle

图7 极端恶劣风场条件下流场压力分布云图Fig.7 Pressure contour under extreme wind conditions

4 动态仿真结果分析

动态仿真部分旨在通过对系留艇失效时刻[13]和极限来流条件下的仿真得到地面坐标系下系留艇本身的非定常气动力，从而确认气动载荷的极值输入和非定常输入，为展开飞艇运动仿真分析[14-15]、摸清质量问题提供输入条件。动态仿真包括2个方面，第1个方面是在静态仿真基础上考虑系留艇自身非定常摆动对其动态气动特性的影响研究；第2个方面是考虑短时间风速急剧变化的切变风对系留艇非定常气动特性的影响研究。

4.1 非定常摆动

系留艇摆动频率为0.011 1，摆幅为30°，初始时刻侧滑角为0°，偏航角为13°，图8给出了初始时刻流场压力分布云图，由图8可看出初始时刻系留艇存在绕y轴的转动速度使得尾翼迎风面压力升高；图9给出了系留艇初始时刻艇身流线图，由图9可看出，由于采用物面无滑移边界条件艇身表面流线随飞艇一起摆动，存在一个明显的绕艇头的旋转速度；图10给出了系留艇多个摆动周期内艇身气动力和气动力矩随时间的变化曲线，在系留艇一个摆动周期内，cx,cmy与艇身摆动频率相同，但两者相位相反，即当系留艇摆动初始时刻cx达到最大极值而cmy达到最小极值，当系留艇绕y轴顺时针(从上往下看)转到初始位置时(此时系留艇偏航角为13°，侧滑角0°)，cx达到最小极值，cmy达到最大极值，cz变化频率基本为艇身摆动频率的两倍，这是由于随着系留艇的摆动，系留艇法向受力和轴向受力在z轴的分量始终一致，而在x轴的分量法向力与轴向力始终相反，这就使得z向的气动力能较快的达到极值。

图8 系留艇摆动初始时刻物面压力分布云图Fig.8 Surface pressure contour at initial time

图9 系留艇摆动初始时刻艇身流线图Fig.9 Surface streamline at initial time

图10 多个摆动周期内系留艇气动力变化曲线Fig.10 Aerodynamic force curves in several swing cycles

4.2 切变风

本文仿真所采用的切变风模型为经典的海平面切变风模型，来流方向无变化，风速在1 s内从1 m/s急剧变化到23 m/s，此时系留艇侧滑角为18°，偏航角为13°。图11给出了切变风与定常风系留艇cz随时间的变化曲线，图12给出了切变风与定常风系留艇cx随时间的变化曲线，由图可看出，与定常风相比，短时间剧烈变化的切变风对飞艇来说会产生“滞后性”和“弹簧效应”，即在切变风初始时刻飞艇所受气动力比定常风状态所受气动力偏小，随着时间的推移，飞艇上所受的气动力会迅速变大，且会产生极性的变化，不同极性方向气动力和力矩的大小可能比定常状态大很多倍，这对于飞行器来说结果是致命的，目前对于切变风的应对措施还没有很好的手段，因此对于切变风的预警才是首要任务。

图11 切变风与定常风系留艇cz随时间的变化曲线Fig.11 cz force curves with time

图12 切变风与定常风系留艇cx随时间的变化曲线Fig.12 cx force curves with time

5 结束语

本文静态仿真部分将系留艇外场试验时周边板房、山脉、丘陵等复杂地形环境引入到流场计算当中，动态仿真部分首次将切变风和自身非定常摆动影响纳入到飞艇气动计算当中，结果表明 ：

(1) 地形环境的影响尤其是地面效应会使飞艇周围流场发生显著改变，从而使得飞艇所受气动力和力矩发生改变；

(2) 飞艇自身的摆动会使艇身气动力大小和方向产生周期性的改变，其变化率与飞艇摆动频率密切相关；

(3) 短时间剧烈变化的切变风对飞艇来说会产生“滞后性”和“弹簧效应”，不仅使得艇身气动载荷增大好几倍，而且会使艇身气动力发生极性的改变，这对于飞行器来说结果是致命的。

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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，江西景德镇人。高工，硕士，主要研究方向为空气动力学仿真技术与实验技术。

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