尾翼翼形修圆对系留气球影响分析

张桂夫

尾翼翼形修圆对系留气球影响分析

张桂夫

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

系留气球作为一种浮空器，其尾翼一般通过充气成型，为方便加工，通常对尾翼翼形末端进行修圆处理。针对尾翼翼形修圆程度对系留气球的影响，选择三种翼形分别进行不同程度的末端修圆处理，并应用流体力学仿真软件对修圆之后翼形的升阻力系数进行分析。结果表明，修圆的存在会小幅改变升力曲线的斜率，同时对阻力系数有着更加明显的影响，随着翼形修圆程度的增加，阻力系数明显增大。因此，实际系留气球尾翼应在加工允许范围内尽量减少修圆，以免产生不利影响。

系留气球；翼形修圆；升力；阻力

1 引言

系留气球作为一种较为成熟的浮空器，通过搭载不同任务载荷升空可以执行预警探测、侦察监视、通信中继等任务，因具有留空时间长、载重能力大、效费比高等优点，在军民领域得到广泛应用[1-3]。系留气球球体通常为水滴形回转体，为增强系留气球在有风情况下的使用安全性，通常在球体尾部安装尾翼。系留气球尾翼通常采用标准翼形，在实际使用中由于尾翼是通过充气使尾翼囊体膨胀成型，考虑到加工水平以及受力限制，一般设计时将尾翼后缘进行一定程度的修圆处理，以降低加工难度[4]。本文应用Ansys Fluent对不同修圆程度的翼形进行流场仿真，进而分析尾翼修圆对升力、阻力的影响。

2 仿真分析过程

2.1 模型建立与仿真设置

三种翼形和修圆位置对比如图1所示。本文选用NACA 0018、NACA 2415、NACA 6413三种翼形进行对比仿真，如图1中的（a），同时考察不同翼形弯度对结果的影响。分别对每种翼形进行修圆处理，修圆方法为在翼形弦长之后采用相切圆代替原翼形尾部，本文中选取95%、90%、80%，如图1（b）所示。将修圆之后的翼形缩放至弦长与未修圆翼形弦长相等，即=1 m。应用ICEM绘制翼形外流场网格，应用Ansys Fluent 进行流场仿真模拟，采用定常模拟，湍流模型选用SST K-Omega模型[5-6]，来流雷诺数设置为=5.1e5，来流攻角从﹣8°～16°，每2°计算一个工况，采用Couple求解器进行求解。

2.2 结果分析

同一种翼形模拟中的来流攻角采用Ansys参数化设置，可一次性模拟多个工况，得到不同修圆情况下的升力系数曲线如图2所示。

图1 三种翼形和修圆位置对比

从图2中可以看出，对于所选取的三种翼形，在来流攻角为负时，修圆的存在使得升力系数小幅降低，修圆位置越靠前，降低得越明显。但同时修圆会导致升力系数曲线斜率提高，且修圆位置的越靠前斜率提高越明显。随着来流攻角增加，修圆翼形的升力系数曲线会逐渐与未修圆翼形的升力系数曲线相交，对于对称翼形NACA 0018，当来流迎角大于0°时，修圆翼形的升力系数开始超过未修圆翼形。在NACA 2415翼形这个攻角为8°左右，而对于NACA 6413翼形，直到翼形接近16°，修圆翼形的升力系数曲线才与未修圆翼形的升力系数曲线相交。因此可见，随着翼形弯度的增加，修圆翼形与未修圆翼形的升力系数曲线交点对应的来流迎角逐渐增大。

图2 不同修圆情况下升力系数曲线

修圆对翼形阻力系数的影响如图3所示。相对于升力系数的小幅变化，修圆对阻力系数的影响更为明显。多数攻角情况下修圆的存在会使阻力系数大大增加，最大增加量达到40%～60%。随着攻角增加，修圆的阻力系数同样逐渐接近未修圆翼形的阻力系数，对于NACA 0018翼形，所选取的攻角范围内修圆翼形阻力系数均大于未修圆翼形的阻力系数，而对于NACA 2415翼形，曲线在14°左右相交，之后随着迎角增大未修圆翼形的阻力系数开始超过修圆翼形的阻力系数。而对于NACA 6413翼形，交点在10°左右。因此可以得出，随着翼形弯度增减，修圆前后阻力系数曲线交点对应的来流迎角逐渐减小。以NACA 0018翼形、来流攻角6°为例，分析阻力增加的原因。分别输出修圆前后压差阻力系数和粘性阻力系数，通过对比发现，在80%位置修圆之后，压差阻力系数增长了一倍，而粘性阻力系数增长8%左右，总阻力系数增加50%，由此可见修圆导致的压差阻力增加是总阻力增加的主要原因。

图3 不同修圆情况下阻力系数曲线

进一步提取修圆前后翼形表面的压强分布以及流线对比如图4所示。从图4中可以看出，在修圆之后，流过翼形表面的气流会在修圆位置附近发生分离、产生漩涡，如图4中的（b）所示，进而导致翼形尾部出现负压，如图4（a）所示，负压的产生导致压差阻力增加。

图4 NACA 0018翼形修圆前后表面压力分布对比以及流线对比

3 结论

基于系留气球尾翼修圆的应用背景，本文应用Ansys Fluent分别对三种翼形修圆前后的流场进行仿真对比，进而分析翼形修圆对升阻力的影响。结果表明：在迎角较小的情况下翼形修圆会降低升力系数，同时也会导致升力系数曲线斜率小幅提高，且修圆位置越靠前提高越明显。随着来流攻角增加，修圆前后翼形升力系数曲线会相交，并随着翼形弯度的增加，升力系数曲线交点所对应的来流攻角逐渐增大。在升力系数曲线处于线性段的攻角范围内，翼形修圆会导致阻力系数大幅增加，最大增加量达到40%～60%。随着攻角增加修圆前后的翼形阻力系数曲线也会相交，并且随着翼形弯度的增加，曲线交点对应的来流攻角逐渐减小。通过提取流线以及翼形表面压力分布分析得出，修圆主要会导致流过翼形表面的气流会在修圆位置附近发生分离、产生漩涡，导致翼形尾部出现负压，增大压差阻力，进而使总阻力增加。

经以上分析表明，实际系留气球尾翼应在加工允许范围内尽量减少修圆，以减少不利影响。

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2095－6835（2020）10－0034－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.013

张桂夫（1990—），男，吉林长春人，博士，工程师，研究方向为浮空器总体设计。

〔编辑：张思楠〕