系留气球地面系留状态气动分析

刘传超，李　琦

(中国电子科技集团公司第38研究所 浮空平台部，安徽 合肥 230031)



系留气球地面系留状态气动分析

刘传超，李琦

(中国电子科技集团公司第38研究所 浮空平台部，安徽 合肥 230031)

系留气球地面系留状态气动力与系留气球安全密切相关。由于受地面影响，气球地面系留状态气动特性比空中系留状态更复杂。使用ANSYS Workbench平台研究了系留气球在地面系留状态的气动力，并与空中系留状态气动力进行了比较。研究了地面效应、系留高度和系留俯仰角对系留状态系统稳定性的影响。结果表明：气动力地效影响因素比较复杂，没有简单的规律可循。提出了地面系留状态气动设计的一般原则和建议。在计算中，充分利用了ANSYS Workbench的参数化设计点功能，有效提高了工作效率。

系留气球；气动特性；地面系留

0　引言

系留气球球体通过头锥与索具系留在系留设备上的状态称为地面系留状态，是系留气球一种重要工作状态[1]。在系留气球设计中，地面系留状态一般要求具备比空中系留状态更强的抗风能力，以便系留气球在遭遇强风时，可以迅速由空中系留状态切换到地面系留状态抵御强风。因此，系留气球地面系留状态的抗风能力对系留气球安全至关重要。

系留气球在地面系留状态由于受到地面影响，气动特性与空中系留状态有明显不同。地面对气球气动特性影响主要包括两个方面因素：(1)地面为无穿透壁面，气流无法穿透地面而引起地面对气球周围流动干扰；(2)地面为无滑移壁面边界，导致气流在高度方向的风切变。

飞机地面效应影响主要表现为地面的增升减阻效果。与飞机不同的是，系留气球地面效应主要影响效果为系留机构稳定性。系留气球地面系留状态为一种长时正常工作状态，因此，应重视系留气球地面状态气动特性。

本文以某系留气球为例，以ANSYS Workbench[2]为平台,采用FLUENT软件对地面系留状态气球气动特性进行计算，比较分析地面效应对系留气球气动力的影响，研究了系留气球地面系留时，系留俯仰角和系留高度对气动特性的影响。

1　数值方法

(1)

式中，κl为边界层导热系统，μ为动力黏性系数。

本文的求解为低速定常空气流动问题，没有源项，不考虑温度变化。控制方程可简化成如下形式：

(2)

利用SIMPLE方法(压力耦合方程的半隐式算法)求解压力和速度耦合。压力修正法的本质也是一种迭代法，其思路如下：

(1)迭代开始时，先给定压力的初始近似p*；

(4)用修正后的压力p作为p*执行步骤(2)和(3)。重复以上过程直到速度满足连续性方程。

2　计算过程

对某机动式系留气球地面系留状态和空中状态不同俯仰角和系留高度多种工况进行计算。在空中系留状态，风速为均匀风，风速v=20m/s；在地面系留状态，风速随高度变化，风速v=20·(h/10.0)0.15m/s[4]，如图1所示，其中系留高度h为头锥旋转中心离地高度。对俯仰角为0°、1°、2°、3°、4°、5°，系留高度为9.5m、10.0m、10.5m共18种状态进行计算。

图1　地面系留状态风速剖面

几何建模采用Design Modeler模块，该模块提供了主流三维建模软件提供的参数化建模功能，对导入的系留气球模型进行绕头锥旋转中心的旋转，外流场区域与气球球体的逻辑减运算即可得到流体区域。建模过程中，将旋转角度(俯仰角)进行参数化设计。地面系留状态气球流体区域几何模型如图2所示。

图2　地面系留状态流体区域建模

使用ANSYS Meshing对计算区域进行网格化分。网格采用非结构网格，对地面与球体周围添加三棱柱网格边界层，网格总数量约为450万。系留气球表面和地面网格如图3所示。

图3　系留气球及其周围网格

FLUENT模块中进行如下计算参数设置：求解器采用SIMPLE算法压力速度分离求解器；湍流模型采用SST K-Omega模型[5]；动量方程、湍动能和湍流耗散率均采用二阶迎风格式；球体表面及地面采用无滑移固壁边界条件，顶部及左右两侧边界采用对称边界条件；来流方向边界采用速度入口边界条件，流出边界采用压力出口边界条件。

为了模拟地面风速随高度变化，速度入口边界水平风速分量和初始水平风速分量使用用户自定义函数(UDF)进行定义[6]。水平风速边界条件由DEFINE_PROFILE宏给定，初始化水平风速由DEFINE_INIT宏制定。保证每次迭代计算前能够按照风速分布规律，应用边界条件，尽可能合理的初始化流场以达到尽快收敛的目的。

在FLUENT中设置升力和绕头部旋转中心的俯仰力矩为输出参数，可以在Workbench中直接查看系留气球的升力和俯仰力矩。

通过在DesignModeler和FLUENT中设置输入输出参数，就可以通过简单的修改输入参数设置新的计算工况，提取计算结果。设置完成后，只需要更新所有设计点即可自动完成所有计算和计算结果提取。

3　计算结果分析

以3°俯仰角为例，对系留气球空中状态和系留高度10.0m地面系留两种状态下流场进行可视化显示。

图4和图5为3°俯仰角下空中系留状态与地面系留状态(系留高度10m)的气球球体表面及周围压力分布。图6和图7为空中系留状态和地面系留状态气球对称面内速度场。图8和图9为空中系留状态和地面系留状态气球对称面上流线图。图9是俯仰角在0°～5°时，空中系留状态和地面系留状态升力系数随俯仰角变化曲线，图10是俯仰角在0°～5°时，空中系留状态和地面系留状态相对于头锥旋转中心俯仰力矩系数随俯仰角变化曲线。

图4　空中系留状态球体及对称面压力分布

图5　地面系留状态球体及周围压力分布

图6　空中系留状态对称面内速度场

图7　地面系留状态对称面内速度场

综合压力分布图和流线图可以看出：

(1)地面系留状态和空中系留状态气球压力分布和流动方向相差不大，流场基本状态没有发生改变。

(2)气球整流罩距离地面高度虽然不高，但是已经处于地面边界层之外。整个气球所处的速度梯度随高度变化比较平和。

(3)由于整流罩距离地面最近，流体流动有所变化，主要体现在：整流罩下方地面压力分布受到了整流罩影响，对称面内压力分布受到了地面的影响。

图8　空中系留状态垂直对称面内流线

图9　地面系留状态垂直对称面上流线

图10　空中系留状态和地面系留状态升力系数

图10是俯仰角在0°～5°时,空中系留状态和地面系留状态升力系数随俯仰角变化曲线。图11是俯仰角在0°～5°时,空中系留状态和地面系状态相对于头锥旋转中心俯仰力矩系数随俯仰角变化曲线。

图11　空中系留状态和地面系留状态俯仰力矩系数

由图4～图11综合分析可以得到如下结论：

(1)系留俯仰角是影响系留气球俯仰力矩的重要因素，随着俯仰角增大，气球俯仰力矩逐渐减小。俯仰角大于等于1°时，地面系留状态俯仰力矩系数始终小于零，气动力使系留拉索趋于张紧。地面系留状态无风情况下，净浮力也使系留拉索趋于紧张。因此，整个系留机构处于稳定状态。

(2)地面系留状态零力矩对应俯仰角变小，使得系留气球在更小的系留俯仰角下达到稳定状态。产生这一现象的原因为：地面系留状态主气囊由于风速切变背部风速大于腹部风速，由气体绕流在背部产生的向上负压大于腹部产生的负压，最终导致方向向上的气动升力和绕Y轴反方向的俯仰力矩。

(3)地面系留状态时，气动力随高度变化规律比较复杂。总体来看，系留高度在10.0米时稳定性最好，高度为9.5米和高度为10.5米稳定性均有不同程度的下降。气动随高度变化受风速梯度和地面效应双重影响，高度降低风速降低，高度升高地面效应减小，这两个因素的影响效果相反，故变化规律比较复杂。

4　结语

使用FLUENT软件对气球空中系留状态和地面系留状态气动力进行了计算和比较分析，研究了地面效应对气球气动力的影响。通过研究发现，地面效应导致气球升力和俯仰力矩变化，应通过选择合适的系留俯仰角和系留高度增大气球系留状态机构的稳定性。系留气球地面系留状态气动力比空中系留状态复杂，除与气球外形、系留高度和地面风形式相关外，还受到地面系留设备的影响。因此，在优化设计地面系留状态时应综合考虑各种因素影响，并保留一定余量。

[1] 何强.系留气球系留系统的设计[J].电子世界,2015(19)：34-35.

[2] 段冬霞,崔玉峰,聂超群.燃气轮机燃烧室参数化CFD设计方法研究[J].燃气轮机技术,2014,27(2)：8-13，22.

[3] 约翰D 安德森.计算流体力学基础及其应用[M].吴颂平,刘赵淼,译.北京:机械工业出版社,2007:51-54.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB50009—2012 [S].北京:中国建筑工业出版社,2012:100-101.

[5] 任志安，郝点，谢红杰.几种湍流模型及其在FLUENT中的应用[J].化工装备技术,2009,30(2)：38-40,44.

[6] 张立勋，刘小红，张松，等.基于多种UDF方法的变桨距垂直轴风力机性能分析[J].农业机械学报,2012,43(9)：120-124.

[责任编辑、校对：东艳]

Aerodynamic Analysis of Tethered Balloon at Ground Tethering State

LIUChuan-chao,LIQi

(No.38 Research Institute,CETC,Hefei 230031,China)

Aerodynamic force of the ground tethering state is closely related to its security.Due to the effect of the ground,aerodynamic characteristics of the ground tethering state are more complex than the aerial tethering state.The aerodynamics of the tethered balloon at the ground tethering state is studied by using ANSYS Workbench platform in this paper,and it is compared with that at the aerial tethering state.The influence of ground effect,tethering height,and tethering pitch angle on the stability of mooring systems is studied.The results show that the aerodynamic effect influence factors are more complex,and no simple rules can be followed.Finally,general principles and recommendations of aerodynamic design are presented to guide tethered balloon designing.In the process of calculation,the function of parametric designer point is fully utilized so as to improve the work efficiency remarkably.

tethered balloon;aerodynamics;ground tethering

2016-06-12

刘传超(1979-)，男，山东郓城人，高级工程师，主要从事浮空器气动与总体设计研究。

V265+;O354

A

1008-9233(2016)05-0029-05