系留气球尾翼面积影响模拟研究

苏彦华



系留气球尾翼面积影响模拟研究

苏彦华

（海军联合海情中心，北京 100841）

系留气球作为一种浮空器，在预警、通信、监测等领域有着重要的应用价值，而系留气球的尾翼对其在有风情况下的稳定性具有重要的影响。应用Ansys软件对经典倒“Y”形尾翼布局的系留气球流场进行模拟。主要考察尾翼面积对气球阻力和俯仰力矩的影响。模拟选取三种不同面积的尾翼，结果表明，随着尾翼面积的增加，有攻角来流情况下气球的恢复力矩会明显增加，同时，系留气球受到的阻力也会增加。对系留气球尾翼面积的选取需要根据实际情况权衡考虑。

系留气球；尾翼面积；数值模拟；俯仰力矩

1 引言

系留气球是一种依靠其内部浮生气体获得浮力（主要是氦气），并应用系留缆绳牵引的浮空器。因其具有高空定点、长时间系留以及可以搭载不同载荷等优点，在预警探测、通信、监控等领域具有重要的应用价值[1]。系留气球既可以作为军用雷达的载体，进行大范围的军事侦察和探测，也可以搭载民用监控设备，为大型集会、赛事等提供安全保障。

与飞机等高速飞行器不同，系留气球工作时主要在高空定点系留，其升力完全来源于内部气体的浮力，气动升力基本可以忽略，一般情况下也不存在机翼。但是系留气球为了满足高空长时间停留的要求，必须具有一定的抗风能力[2]。在气球整体气动布局确定之后，尾翼便在保持气球稳定性方面扮演着重要的角色。因此，系留气球尾翼参数是重要的研究对象[3]。

本文应用Ansys软件对不同尾翼面积的系留气球的气动特性进行计算，比较分析尾翼面积对系留气球的气动力和俯仰力矩的影响，为实际应用中系留气球尾翼面积的选取提供参考。

2 计算过程

2.1 系留气球模形建立

Ansys是最流行的仿真软件之一，具有完整的前处理、仿真和后处理能力。其前处理过程可以直接导入三维软件的模形进行网格划分。本文首先应用三维建模软件Solidworks进行系留气球的建模，为了简化分析，建模采用缩比模型，缩比后的系留气球模形总长1.25 m。气球的母线方程采用文献[4]中椭圆、圆台和球台组合曲线。尾翼布局选取倒“Y”布局，其中一尾翼在上，其余两个尾翼与上尾翼分别成120°角。尾翼翼形选取NACA 0018标准对称翼形，尾翼面积选取三种不同大小，应用单个尾翼外露面积w与裸球体体积的2/3次方之比作为尾翼的无量纲面积，分别为0.02，0.23，1.08.一般在系留气球下方会装有整流罩以对所挂的载荷进行保护，从而在分析模拟中忽略整流罩的影响。三种模形如图1所示。

图1 不同尾翼面积的系留气球模形

2.2 模拟设置

将模形导入Ansys，并应用Mesh模块进行网格划分。网格为非结构网格，在球体表面布置棱柱边界层网格，总网格量约300万。在网格划分完毕之后导入Fluent模块中进行计算。计算设置如下：采用定常模拟；湍流模形采用SST K-Omega模形[5]；球体为无滑移wall边界；入口边界为速度边界，来流速度=20 m/s，来流攻角15°；出口边界设置压力出口；求解器采用SIMPLE求解器。在计算收敛之后将结果导入CFD-Post模块进行后处理。

3 结果分析

考察尾翼面积对飞艇阻力的影响。在本研究中球体的总阻力由球身阻力和尾翼阻力两部分组成，分别提取系留气球的球身阻力系数，尾翼阻力系数和总阻力系数随着尾翼面积的变化如图2（a）所示。从图2中可以看到，随着尾翼面积的增加，三种阻力都明显增加。进一步观察发现，球体的阻力系数一直大于尾翼阻力系数。这说明尾翼面积增大导致的总阻力增加不仅仅是尾翼本身带来的阻力，尾翼的存在也会改变球体周围的压力分布，进而使得球体本身的阻力也变大。这与飞艇的结果相吻合[6]。

接下来考察尾翼对球体俯仰稳定性的影响，提取系留气球的球身俯仰力矩系数，尾翼俯仰力矩系数和总俯仰力矩系数随尾翼面积的变化如图2（b）所示。此处要说明，图2（b）中的俯仰力矩系数的正负所代表的是力矩方向，在本文模拟中，俯仰力矩为正代表低头力矩。从图2中可以看到，随着尾翼面积的增加，三种俯仰力矩均增加。这代表的是系留气球顺桨能力和恢复原有姿态的能力增加。在尾翼面积很小时可以看到，总俯仰力矩为负数，这表明此时系留气球俯仰是不稳定的，容易在实际应用中出现事故。而随着尾翼面积的增加，俯仰力矩迅速增加，俯仰稳定性得到了明显改善。

为进一步揭示尾翼的作用机理，提取三种尾翼面积的系留气球表面和周围压力分布如图3所示。可以看到，随着尾翼面积的增加，尾翼上表面的负压区面积逐渐增加，这将导致尾翼俯仰力矩的增加，而尾翼的存在也会改变球体表面的压力分布，进而导致球身俯仰力矩的改变。

图3 尾翼面积对压力分布的影响

4 结论

本文通过Ansys对不同尾翼面积的系留气球气动性能进行计算得出，在15°攻角来流的情况下，随着尾翼面积的增加，系留气球的俯仰稳定性逐渐增加，这说明尾翼在系留气球稳定性方面具有重大影响，实际应用中必须选取一定面积的尾翼。同时，尾翼面积的增加也会导致气球阻力的增加，此外也会为气球的配重带来困难。因此，在实际应用中应根据实际情况权衡选取尾翼面积。

［1］G.A.库利，J.D.吉勒特.飞艇技术［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］刘传超，李琦.系留气球地面系留状态气动分析［J］.西安航空学院学报，2016，34（05）.

［3］易正清.系留气球尾翼参数气动设计研究［J］.长沙航空职业技术学院学报，2009（03）.

［4］余传东.系留气球容积测量研究［J］.科技论坛，2017（18）.

［5］任志安，郝点，谢红杰.几种湍流模形及其在Fluent中的应用［J］.化工装备技术，2009，30（02）：38-40，44.

［6］李天娥.软式平流层飞艇的气动性能与多目标优化研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

2095－6835（2019）01－0136－02

V273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.136

苏彦华（1972—），男，河北衡水人，高级工程师，硕士研究生，研究方向为电子对抗雷达装备，现从事电子对抗雷达装备需求及应用研究工作。

〔编辑：张思楠〕