切變風(fēng)與擺動(dòng)對(duì)系留艇錨泊氣動(dòng)特性影響研究*

胡磊，任淑杰，張慶兵

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

仿真技術(shù)

切變風(fēng)與擺動(dòng)對(duì)系留艇錨泊氣動(dòng)特性影響研究*

胡磊，任淑杰，張慶兵

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

根據(jù)系留艇錨泊狀態(tài)復(fù)雜地形環(huán)境特征，對(duì)系留艇進(jìn)行了氣動(dòng)特性仿真和分析，首次將切變風(fēng)和自身擺動(dòng)影響納入到氣動(dòng)仿真當(dāng)中,結(jié)果表明：地形環(huán)境的影響尤其是地面效應(yīng)會(huì)使飛艇周圍流場(chǎng)發(fā)生顯著改變，從而改變飛艇氣動(dòng)力和力矩；飛艇自身的擺動(dòng)會(huì)使艇身氣動(dòng)力大小和方向產(chǎn)生周期性的變化，其變化率與飛艇擺動(dòng)頻率密切相關(guān)；短時(shí)間劇烈變化的切變風(fēng)對(duì)飛艇來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生“滯后性”和“彈簧效應(yīng)”，使得艇身氣動(dòng)載荷增大的同時(shí)艇身氣動(dòng)力的極性也會(huì)發(fā)生改變，這對(duì)于飛艇飛行安全來(lái)說(shuō)結(jié)果是致命的。

系留艇；切變風(fēng)；非定常；錨泊；擺動(dòng)；氣動(dòng)特性

0 引言

某系留艇在錨泊期間遭遇大風(fēng)，導(dǎo)致頭錐連接桿斷裂，造成艇體及艇上設(shè)備損壞。之前設(shè)計(jì)未考慮復(fù)雜地形環(huán)境對(duì)飛艇氣動(dòng)特性的影響，也沒(méi)考慮大氣切變風(fēng)以及飛艇擺動(dòng)引起的非定常氣動(dòng)效應(yīng)，導(dǎo)致氣動(dòng)特性預(yù)示與實(shí)際情況有很大差異。為了準(zhǔn)確預(yù)示系留艇錨泊時(shí)在惡劣氣候環(huán)境下所受的氣動(dòng)力，確認(rèn)氣動(dòng)載荷輸入，需要開展系留艇錨泊狀態(tài)下靜態(tài)與動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力仿真計(jì)算。其中，本文靜態(tài)仿真部分建模時(shí)不僅考慮了錨泊狀態(tài)下的地面效應(yīng)，而且將周圍板房、山脈、丘陵等復(fù)雜地形環(huán)境納入到仿真模型當(dāng)中；動(dòng)態(tài)仿真部分包括2個(gè)方面：一是將系留艇失效前30 s內(nèi)的隨風(fēng)擺動(dòng)做了動(dòng)態(tài)仿真， 給出了不同時(shí)刻系留艇所受氣動(dòng)力的變化規(guī)律；二是對(duì)系留艇遭遇短時(shí)間風(fēng)速急劇變化的切變風(fēng)來(lái)流狀態(tài)進(jìn)行了仿真模擬，給出了切變風(fēng)效應(yīng)對(duì)系留艇氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。

1 仿真模型與計(jì)算要求

本文仿真采用不可壓來(lái)流條件，湍流模型采用k-ε模型，壁面采用無(wú)滑移邊界條件，求解N-S流體控制方程[1-5]。計(jì)算工況包括靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真2個(gè)部分，其中靜態(tài)仿真還包括對(duì)垂直向下來(lái)流、橫向來(lái)流、尾部來(lái)流3個(gè)極端惡劣風(fēng)場(chǎng)條件的模擬；動(dòng)態(tài)仿真包括2個(gè)方面，一方面是模擬飛艇失效前30 s內(nèi)隨風(fēng)擺動(dòng)的工況，近似認(rèn)為側(cè)滑角按正弦函數(shù)變化，初始攻角和側(cè)滑角均為0°，擺動(dòng)方程如下(rad)：

β=0.523 6 sin(0.07t).

另一方面是模擬切變風(fēng)對(duì)飛艇非定常氣動(dòng)特性的影響，本文仿真所采用的切變風(fēng)模型為經(jīng)典的海平面切變風(fēng)模型，來(lái)流方向無(wú)變化，風(fēng)速在1 s內(nèi)從1 m/s急劇變化到23 m/s，系留艇側(cè)滑角18°，攻角0°。

地面方位示意圖如圖1所示，地面坐標(biāo)系Oxyz原點(diǎn)O與飛艇質(zhì)心重合，Oz軸指向正北方向，Ox軸指向正西方向，Oy軸垂直地面向上；飛艇體軸系O1x1y1z1原點(diǎn)O1與飛艇質(zhì)心重合,O1y1軸垂直地面向上，O1x1為艇體中心軸線由艇頭指向艇尾方向，O1z1與O1x1y1成右手法則。

圖1 地面方位示意圖Fig.1 Geographic sketch map

2 網(wǎng)格生成方法

采用嵌套網(wǎng)格方法[6-8]，包括飛艇網(wǎng)格部分與山脈、板房等地形網(wǎng)格部分，2部分網(wǎng)格均為純6面體網(wǎng)格，其中飛艇網(wǎng)格部分網(wǎng)格量在800萬(wàn)左右，為避免板房網(wǎng)格伸入到飛艇網(wǎng)格當(dāng)中，需要對(duì)飛艇頭部周圍區(qū)域進(jìn)行斜切；飛艇尾部為充氣材料，為得到更高精度的仿真結(jié)果，特別是尾部阻力，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)飛艇尾部進(jìn)行了精細(xì)化處理，如圖2所示，為避免飛艇網(wǎng)格伸出地形網(wǎng)格之外，飛艇網(wǎng)格上下為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。地形網(wǎng)格部分山脈覆蓋范圍較廣且外部形狀非常不規(guī)則，如果全部精確模擬的話網(wǎng)格量在7 000萬(wàn)以上，考慮到后續(xù)動(dòng)態(tài)計(jì)算及仿真周期的原因，對(duì)地形網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的地形網(wǎng)格量在3 000萬(wàn)左右，示意圖如圖3所示，簡(jiǎn)化原則[9-12]包括以下幾點(diǎn)：

(1) 山脈、丘陵數(shù)量不變；

(2) 單個(gè)山脈等高線數(shù)量不變；

(3) 主要對(duì)山脈不規(guī)則坡面進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除斜率突變點(diǎn)，光滑漸變。

圖2 飛艇尾部網(wǎng)格細(xì)節(jié)Fig.2 Grid details of the aerostat empennage

圖3 嵌套網(wǎng)格截面圖Fig.3 Sectional view of overset grids

3 靜態(tài)仿真結(jié)果分析

靜態(tài)仿真給出了板房、山脈、地面等復(fù)雜地理環(huán)境及惡劣氣象條件下飛艇的氣動(dòng)特性，此時(shí)系留艇偏航角為13°。

圖4給出了飛艇錨泊與滯空狀態(tài)法向力系數(shù)隨攻角的變化曲線，由圖可知，在板房、地面、山脈的共同影響下，飛艇零升攻角后移，法向力系數(shù)隨攻角變化的斜率減小；圖5給出了不同側(cè)滑角下cz1隨攻角變化曲線，由圖可知，在相同側(cè)滑角下，隨著攻角的增加，cz1絕對(duì)值逐漸減小，側(cè)滑角越大減小的斜率越大；圖6給出了不同攻角下cz1隨側(cè)滑角的變化曲線，由圖6可知，相同攻角下隨著側(cè)滑角的增加，cz1都是逐漸增大的，且攻角越小，cz1增大的斜率越大；圖7給出了極端惡劣風(fēng)場(chǎng)條件下流場(chǎng)壓力分布云圖，由圖7可知，當(dāng)來(lái)流垂直向下時(shí)，整個(gè)地面均為滯止區(qū)域，在山脈斜率較大坡面會(huì)存在低壓加速區(qū)，當(dāng)側(cè)滑角較大時(shí)，飛艇側(cè)緣會(huì)產(chǎn)生明顯的側(cè)緣吸力，當(dāng)遭遇橫向來(lái)流時(shí)，飛艇整個(gè)側(cè)面為高壓滯止區(qū)域。

圖4 法向力系數(shù)隨攻角變化曲線Fig.4 Normal force curve with angle of attack

圖5 不同側(cè)滑角下cz1隨攻角的變化曲線Fig.5 cz1 force curve with angle of attack

圖6 不同攻角下cz1隨側(cè)滑角的變化曲線Fig.6 cz1 force curve with sideslip angle

圖7 極端惡劣風(fēng)場(chǎng)條件下流場(chǎng)壓力分布云圖Fig.7 Pressure contour under extreme wind conditions

4 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)仿真部分旨在通過(guò)對(duì)系留艇失效時(shí)刻[13]和極限來(lái)流條件下的仿真得到地面坐標(biāo)系下系留艇本身的非定常氣動(dòng)力，從而確認(rèn)氣動(dòng)載荷的極值輸入和非定常輸入，為展開飛艇運(yùn)動(dòng)仿真分析[14-15]、摸清質(zhì)量問(wèn)題提供輸入條件。動(dòng)態(tài)仿真包括2個(gè)方面，第1個(gè)方面是在靜態(tài)仿真基礎(chǔ)上考慮系留艇自身非定常擺動(dòng)對(duì)其動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性的影響研究；第2個(gè)方面是考慮短時(shí)間風(fēng)速急劇變化的切變風(fēng)對(duì)系留艇非定常氣動(dòng)特性的影響研究。

4.1 非定常擺動(dòng)

系留艇擺動(dòng)頻率為0.011 1，擺幅為30°，初始時(shí)刻側(cè)滑角為0°，偏航角為13°，圖8給出了初始時(shí)刻流場(chǎng)壓力分布云圖，由圖8可看出初始時(shí)刻系留艇存在繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度使得尾翼迎風(fēng)面壓力升高；圖9給出了系留艇初始時(shí)刻艇身流線圖，由圖9可看出，由于采用物面無(wú)滑移邊界條件艇身表面流線隨飛艇一起擺動(dòng)，存在一個(gè)明顯的繞艇頭的旋轉(zhuǎn)速度；圖10給出了系留艇多個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)艇身氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩隨時(shí)間的變化曲線，在系留艇一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)，cx,cmy與艇身擺動(dòng)頻率相同，但兩者相位相反，即當(dāng)系留艇擺動(dòng)初始時(shí)刻cx達(dá)到最大極值而cmy達(dá)到最小極值，當(dāng)系留艇繞y軸順時(shí)針(從上往下看)轉(zhuǎn)到初始位置時(shí)(此時(shí)系留艇偏航角為13°，側(cè)滑角0°)，cx達(dá)到最小極值，cmy達(dá)到最大極值，cz變化頻率基本為艇身擺動(dòng)頻率的兩倍，這是由于隨著系留艇的擺動(dòng)，系留艇法向受力和軸向受力在z軸的分量始終一致，而在x軸的分量法向力與軸向力始終相反，這就使得z向的氣動(dòng)力能較快的達(dá)到極值。

圖8 系留艇擺動(dòng)初始時(shí)刻物面壓力分布云圖Fig.8 Surface pressure contour at initial time

圖9 系留艇擺動(dòng)初始時(shí)刻艇身流線圖Fig.9 Surface streamline at initial time

圖10 多個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)系留艇氣動(dòng)力變化曲線Fig.10 Aerodynamic force curves in several swing cycles

4.2 切變風(fēng)

本文仿真所采用的切變風(fēng)模型為經(jīng)典的海平面切變風(fēng)模型，來(lái)流方向無(wú)變化，風(fēng)速在1 s內(nèi)從1 m/s急劇變化到23 m/s，此時(shí)系留艇側(cè)滑角為18°，偏航角為13°。圖11給出了切變風(fēng)與定常風(fēng)系留艇cz隨時(shí)間的變化曲線，圖12給出了切變風(fēng)與定常風(fēng)系留艇cx隨時(shí)間的變化曲線，由圖可看出，與定常風(fēng)相比，短時(shí)間劇烈變化的切變風(fēng)對(duì)飛艇來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生“滯后性”和“彈簧效應(yīng)”，即在切變風(fēng)初始時(shí)刻飛艇所受氣動(dòng)力比定常風(fēng)狀態(tài)所受氣動(dòng)力偏小，隨著時(shí)間的推移，飛艇上所受的氣動(dòng)力會(huì)迅速變大，且會(huì)產(chǎn)生極性的變化，不同極性方向氣動(dòng)力和力矩的大小可能比定常狀態(tài)大很多倍，這對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)結(jié)果是致命的，目前對(duì)于切變風(fēng)的應(yīng)對(duì)措施還沒(méi)有很好的手段，因此對(duì)于切變風(fēng)的預(yù)警才是首要任務(wù)。

圖11 切變風(fēng)與定常風(fēng)系留艇cz隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 cz force curves with time

圖12 切變風(fēng)與定常風(fēng)系留艇cx隨時(shí)間的變化曲線Fig.12 cx force curves with time

5 結(jié)束語(yǔ)

本文靜態(tài)仿真部分將系留艇外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)周邊板房、山脈、丘陵等復(fù)雜地形環(huán)境引入到流場(chǎng)計(jì)算當(dāng)中，動(dòng)態(tài)仿真部分首次將切變風(fēng)和自身非定常擺動(dòng)影響納入到飛艇氣動(dòng)計(jì)算當(dāng)中，結(jié)果表明 ：

(1) 地形環(huán)境的影響尤其是地面效應(yīng)會(huì)使飛艇周圍流場(chǎng)發(fā)生顯著改變，從而使得飛艇所受氣動(dòng)力和力矩發(fā)生改變；

(2) 飛艇自身的擺動(dòng)會(huì)使艇身氣動(dòng)力大小和方向產(chǎn)生周期性的改變，其變化率與飛艇擺動(dòng)頻率密切相關(guān)；

(3) 短時(shí)間劇烈變化的切變風(fēng)對(duì)飛艇來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生“滯后性”和“彈簧效應(yīng)”，不僅使得艇身氣動(dòng)載荷增大好幾倍，而且會(huì)使艇身氣動(dòng)力發(fā)生極性的改變，這對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)結(jié)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 “l(fā)ag” 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，江西景德鎮(zhèn)人。高工，碩士，主要研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.06.026

V274；V211.3;TP391.9

A

1009-086X(2016)-06-0155-05

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