張俊韜，侯中喜，郭 正

經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)充氣機(jī)翼構(gòu)形特征與氣動(dòng)性能分析*

張俊韜，侯中喜，郭 正

(國(guó)防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

將充氣機(jī)翼應(yīng)用于臨近空間太陽(yáng)能飛行器是具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)概念。針對(duì)充氣機(jī)翼構(gòu)形特征和氣動(dòng)分析的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)構(gòu)形特征進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并建立經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)充氣機(jī)翼的模型；進(jìn)一步運(yùn)用數(shù)值方法，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)翼型對(duì)比，分析二維充氣機(jī)翼、三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)充氣機(jī)翼的氣動(dòng)性能。數(shù)值分析結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)的雷諾數(shù)條件下，充氣機(jī)翼的氣動(dòng)性能相比于標(biāo)準(zhǔn)翼型有所降低。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)機(jī)理的研究，分析出導(dǎo)致充氣機(jī)翼總阻力系數(shù)明顯增加的主要原因是：充氣機(jī)翼表面許多凹陷的局部區(qū)域所形成的渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致局部的摩阻有小幅的減小，但壓差阻力大幅增加，最終使得總的氣動(dòng)性能有所降低。

充氣機(jī)翼；構(gòu)形特征；氣動(dòng)性能；流動(dòng)機(jī)理

(CollegeofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

臨近空間太陽(yáng)能飛行器是一種以太陽(yáng)能為主要能源，在臨近空間實(shí)現(xiàn)持久駐留的無(wú)人飛行器。由于臨近空間的低密度環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)較低的飛行速度同時(shí)提供足夠的升力，就需要較大的升力面，因此結(jié)構(gòu)要做到大而輕，其翼展往往達(dá)到幾十米甚至百米的量級(jí)，美國(guó)的“太陽(yáng)神”就是一個(gè)典型的代表[1]。“太陽(yáng)神”原型機(jī)HP01在2001年7月14日首次飛行試驗(yàn)，達(dá)到了22.8km的高度，此后又不斷刷新飛行高度記錄。然而，其另一架原型機(jī)HP-03由于上升過(guò)程中遭遇低空湍流而空中解體。因此大尺度太陽(yáng)能飛行器結(jié)構(gòu)安全性的隱患問(wèn)題也暴露出來(lái)，如何做出“足夠輕質(zhì)”“足夠安全”“氣動(dòng)性能足夠好”的大尺度結(jié)構(gòu)是臨近空間太陽(yáng)能飛行器發(fā)展的核心難題。

1 研究背景

運(yùn)用充氣機(jī)翼是一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)概念[2]，它采用輕質(zhì)柔性復(fù)合材料制作而成，很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大尺度化，輕量化水平較剛性結(jié)構(gòu)也有本質(zhì)提升，大大降低了對(duì)充氣結(jié)構(gòu)自身剛性的需求，對(duì)飛行器能源系統(tǒng)性能要求也可以大大降低，并可極大降低結(jié)構(gòu)在翼載荷中的比例，提高飛行器應(yīng)用載荷和能源攜帶能力，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)安全性。飛行器平飛的需用功率的表達(dá)式為：

(1)

式(1)中，W表示飛行器重量，ρ大氣表示密度，S表示機(jī)翼面積，CD表示阻力系數(shù)，CL表示升力系數(shù)。

可以看到，結(jié)構(gòu)減重的效果是節(jié)省能源，氣動(dòng)性能的損失則會(huì)增加能源消耗。但具體分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)重量與氣動(dòng)性能對(duì)功率的影響比重是不同的，重量的效益更加明顯。因此在大幅降低重量同時(shí)氣動(dòng)性能即便有所損失，總體的能源需求仍是可以降低的，充氣機(jī)翼的價(jià)值就在于此。因此從概念設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，充氣機(jī)翼確實(shí)是一個(gè)非常有前景和意義的研究方向。其中，充氣機(jī)翼由于外形的改變而導(dǎo)致氣動(dòng)性能較之標(biāo)準(zhǔn)翼型發(fā)生變化是氣動(dòng)問(wèn)題的核心，也是張俊韜等的著眼點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于充氣機(jī)翼的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、智能材料變形、風(fēng)洞、飛行試驗(yàn)等多方面的研究[3-14]，而針對(duì)氣動(dòng)特性的分析方面，文獻(xiàn)[11]介紹了充氣機(jī)翼的試驗(yàn)和計(jì)算，選擇兩種不同的翼型(Eppler398和NACA4318 )作為參考基準(zhǔn)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)充氣機(jī)翼與標(biāo)準(zhǔn)翼型之間在流場(chǎng)特征上存在一些相似趨勢(shì)，但又有所區(qū)別，進(jìn)而預(yù)測(cè)了在較低雷諾數(shù)條件下，充氣機(jī)翼的氣動(dòng)性能可以優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)翼型。Simpson等[15]進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，利用流動(dòng)可視化，觀察到了當(dāng)雷諾數(shù)小于5×104時(shí)，由于充氣機(jī)翼表面凹凸不平，使得分離的發(fā)生較之于標(biāo)準(zhǔn)翼型有所延后。

國(guó)內(nèi)對(duì)于充氣機(jī)翼的研究起步較晚，但也開(kāi)展了許多研究工作，取得了一些相關(guān)的研究進(jìn)展。如王長(zhǎng)國(guó)等[16]針對(duì)點(diǎn)陣式充氣機(jī)翼，采用了逆向迭代的方法進(jìn)行了保形設(shè)計(jì)。呂強(qiáng)等[17]研究了充氣機(jī)翼的設(shè)計(jì)和工藝方法，同時(shí)進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試和飛行試驗(yàn)。王偉等[18]對(duì)充氣機(jī)翼的承載能力進(jìn)行了分析，同時(shí)進(jìn)行了氣動(dòng)仿真計(jì)算。

在構(gòu)形分析方面，相對(duì)于較為成熟的二維設(shè)計(jì)方法，三維充氣機(jī)翼的構(gòu)形特征及其氣動(dòng)特性目前還沒(méi)有被廣泛研究。

2 構(gòu)形特征分析

當(dāng)前，多氣梁整體式充氣機(jī)翼構(gòu)形是已有研究中大多采用的結(jié)構(gòu)形式，其特點(diǎn)是在蒙皮內(nèi)部沿弦長(zhǎng)方向布置一系列拉條，如圖1所示，這是傳統(tǒng)二維充氣機(jī)翼的設(shè)計(jì)方法。由于在各個(gè)拉條上均留有通氣通道，使得各個(gè)氣囊相互連通，整體上形成一個(gè)充氣囊體，所以整個(gè)機(jī)翼內(nèi)部壓力均勻一致，對(duì)于防止風(fēng)壓變形有著相對(duì)較好的作用。

圖1 傳統(tǒng)二維充氣機(jī)翼截面示意圖Fig.1 Traditional 2d section of an inflatable wing

進(jìn)一步考慮到實(shí)際三維機(jī)翼時(shí)，其直觀的思路是將二維截面沿著翼展方向拉伸，如此一來(lái)這些約束就會(huì)形成一系列矩形帶條。這種方法雖然比較通用，但要達(dá)到較好的逼近效果，其二維截面約束需要設(shè)計(jì)得很密。這樣在三維成型時(shí)，僅僅約束帶條就增加了很多材料重量，使得充氣結(jié)構(gòu)的總體重量和復(fù)雜度大幅增加，導(dǎo)致充氣機(jī)翼的重量?jī)?yōu)勢(shì)不再明顯，同時(shí)其結(jié)構(gòu)剛度和氣動(dòng)性能方面與剛性機(jī)翼相比可能還有所損失。

基于此，解決上述問(wèn)題可以采用經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)形方法，如圖2所示，采用經(jīng)向(翼展方向)和緯向(弦長(zhǎng)方向)的點(diǎn)陣，每隔一定的距離布置一個(gè)拉條，這樣形成三維的充氣機(jī)翼，其結(jié)構(gòu)重量將大大下降，其外形也逼近所要設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)翼型，但仍需要進(jìn)一步具體分析。

圖2 經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of network structure

分析其構(gòu)形特征，為方便考慮，避免涉及復(fù)雜三維曲面形狀等內(nèi)容，可以把問(wèn)題簡(jiǎn)化為先只考慮邊界線，待確定了邊界線后，不需要知道曲面的具體精確構(gòu)形，只要以較好的方式進(jìn)行擬合逼近，即可以得到滿足氣動(dòng)性能分析的構(gòu)形特征。

2.1 分析兩個(gè)拉條約束之間蒙皮弧段的形狀

從一般受力的角度分析，首先進(jìn)行以下假設(shè)：

1)忽略蒙皮的自重；

2)忽略材料本身的變形；

3)不考慮節(jié)點(diǎn)處的褶皺。

在以上假設(shè)條件下，當(dāng)內(nèi)部因充入氣體而具有均勻的壓力分布時(shí)，兩個(gè)拉條約束之間的蒙皮段將向外鼓出。到目前為止，蒙皮弧段的形狀還沒(méi)有確定，考慮到最小勢(shì)能原理，即在所有可能的位移場(chǎng)中，其最終的位移使得總勢(shì)能最小。因此，可以認(rèn)為圓弧是最為合理的形狀，那么在這種推論下，圖3所示的情況是最可能形成的穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)上述假設(shè)和分析，對(duì)這種蒙皮形成圓弧段的推論是否滿足幾何位置關(guān)系以及受力平衡條件進(jìn)行證明。

如圖3所示，兩個(gè)拉條之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，內(nèi)部壓力為Δp，取一半蒙皮段AB進(jìn)行受力平衡分析。

圖3 兩個(gè)拉條間蒙皮弧段的形狀Fig.3 Shapes of the skin arc between two webs

在豎直方向：

(2)

在水平方向：

T1cosθ+Δph=T2

(3)

分別取A，B點(diǎn)的法線相交于點(diǎn)O，AO長(zhǎng)為R，BO長(zhǎng)為R′則有：

(4)

(5)

將式(4)、式(5)分別代入式(2)、式(3)，則有：

(6)

(7)

用式(6)除以式(7)，則有：

(8)

對(duì)于式(8)，若蒙皮段的形狀為圓弧，則：在幾何關(guān)系上，根據(jù)圓的半徑相等，有R′=R；在力學(xué)關(guān)系上，根據(jù)圓弧段的內(nèi)部張力處處均勻，有T2=T1。

將R′=R和T2=T1代入式(8)，通過(guò)化簡(jiǎn)，可以推得左右兩邊恒等。至此，就證明了蒙皮形成的圓弧是可以同時(shí)滿足幾何關(guān)系和受力平衡的最合理的形狀。

另外，對(duì)于兩個(gè)拉條的長(zhǎng)度不等的情況，其分析方法實(shí)際上與圖3所示的情況類似，只不過(guò)相當(dāng)于偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，因此仍然可以得到以蒙皮弧段為圓弧是合理的這一結(jié)論。

2.2 確定構(gòu)形特征

分別對(duì)經(jīng)向和緯向進(jìn)行分析。

2.2.1 緯向截面的特征

不失一般性，考慮最簡(jiǎn)化的情況，即一個(gè)充氣機(jī)翼在緯向截面只有兩條約束，即由三段圓弧組成，如圖4所示。

圖4 三個(gè)相交圓的受力分析Fig.4 Force analysis of three crossing circles

在平衡狀態(tài)下A點(diǎn)和B點(diǎn)滿足受力平衡。節(jié)點(diǎn)A處受到圓O1和圓O2兩段圓弧在此點(diǎn)處切線方向的表面內(nèi)力T1，T2(其方向與水平之間的夾角分別為α1，α2)，節(jié)點(diǎn)B處同理，以及公共弦的拉應(yīng)力為F1和F2。

在垂直方向上，應(yīng)有：

F1=T1sinα1+T2sinα2

(9)

F2=T1sinα3+T2sinα4

(10)

作為未知量的公共弦拉應(yīng)力F1和F2取決于T1，T2，T3，但在平衡狀態(tài)下可以不必關(guān)心，因?yàn)榭偞嬖诤线m的F1和F2使得式(9)、式(10)成立。

在水平方向上，應(yīng)有：

T1cosα1=T2cosα2

(11)

T1cosα3=T3cosα4

(12)

根據(jù)圓弧段的表面內(nèi)力表達(dá)式，T1，T2以及T3可以表示為：

T1=Δpr1

(13)

T2=Δpr2

(14)

T3=Δpr3

(15)

同時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系，有：

(16)

(17)

(18)

(19)

將式(13)、(14)、(16)、(17)代入式(11)，將式(13)、(15)、(18)、(19)代入式(12)，化簡(jiǎn)后可以推得，式(9)和式(10)均為恒等式，則節(jié)點(diǎn)A和B處的受力平衡在三個(gè)圓相交的條件下是可以實(shí)現(xiàn)的。這就證明了上述三個(gè)圓相交所構(gòu)成的基本構(gòu)形是合理的，同理可以推論至任意布置多個(gè)圓的情況，因此說(shuō)明以此構(gòu)形為基礎(chǔ)的充氣機(jī)翼緯向截面構(gòu)形是可行的。

2.2.2 經(jīng)向截面的特征

同理可知，對(duì)稱翼型沿經(jīng)向的截面形狀是不變的，因此在經(jīng)向的某個(gè)截面的形狀應(yīng)該是由如圖5所示的半徑均相等的圓弧段構(gòu)成的。

圖5 經(jīng)向截面形狀Fig.5 Shapes of section of longitude

.2.3 經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)模型

至此，緯向和經(jīng)向的邊界線都已確定，它們是一組由圓弧段構(gòu)成的邊框。然而，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用而言，任何材料都會(huì)存在變形，所以需要再次強(qiáng)調(diào)的是，利用圓弧段描述充氣機(jī)翼構(gòu)形特征的方法只是一種合理的近似，實(shí)際機(jī)翼充氣成型后每個(gè)弧段可能不完全是圓弧，但是必然是比較逼近的。那么由這些邊界所圍成的三維蒙皮表面的形狀即為網(wǎng)格化的近似球面，則三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)的充氣機(jī)翼模型的局部示意圖如圖6所示。以上構(gòu)形特征分析是充氣機(jī)翼氣動(dòng)分析的基礎(chǔ)。

圖6 局部經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)模型示意圖Fig.6 Sketch of local network model

3 氣動(dòng)特性分析

3.1 計(jì)算模型和條件

基于前述構(gòu)形特征分析，氣動(dòng)特性分析選擇以NACA0012為標(biāo)準(zhǔn)翼型而建立的充氣機(jī)翼的氣動(dòng)外形為研究對(duì)象。具體來(lái)說(shuō)，緯向構(gòu)造由30個(gè)圓相交所構(gòu)成的截面，經(jīng)向分別進(jìn)行二維拉伸和三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，形成的計(jì)算模型如圖7(a)和圖7(b)所示。計(jì)算條件的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

(a) 二維拉伸構(gòu)形(a) Model of 2d stretching inflatable

(b) 三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形(b) Model of 3d network inflatable圖7 數(shù)值仿真的模型Fig.7 Model for numerical simulation

參數(shù)值高度20km溫度216．65K壓力5529．31Pa密度0．0889099kg/m3動(dòng)力粘度1．42161×10-5N·s/m2速度20m/s機(jī)翼弦長(zhǎng)2．4m對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)300000

3.2 CFD方法

3.2.1 控制方程

低速翼型所適用的穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)的控制方程為：

1)連續(xù)方程：

divV=0

(20)

V是流體速度矢量，div代表散度運(yùn)算符。

2)動(dòng)量方程：

(V)2V

(21)

3.2.2 網(wǎng)格劃分

采用C型網(wǎng)格拓?fù)鋪?lái)劃分計(jì)算域，如圖8(a)所示。

(a) C型網(wǎng)格拓?fù)?a) Topology of C type grids

(b) 近壁面網(wǎng)格細(xì)節(jié)(b) Detail of grids near wall圖8 網(wǎng)格示意圖Fig.8 Sketch of grids

計(jì)算域的長(zhǎng)度和寬度為弦長(zhǎng)的30倍，近壁面的第一層網(wǎng)格高度為弦長(zhǎng)的10-4，核算得到對(duì)應(yīng)的y+最大為2，如圖8(b)所示，滿足計(jì)算近壁面邊界層的要求。

采用商業(yè)代碼FLUENT6.3.26作為求解器，利用其三維、有限體積法，求解穩(wěn)態(tài)不可壓Navier-Stokes方程。如圖8(a)所示：入口邊界條件設(shè)置為速度入口“Velocityinlet”，具體要給定速度的大小和方向，來(lái)流的基本參數(shù)仍見(jiàn)表1；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口“Pressureoutlet”，具體要給定出口的表壓值。壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移絕熱壁；兩側(cè)設(shè)置為對(duì)稱邊界條件“symmetry”，這樣計(jì)算出的三維模型為無(wú)限展長(zhǎng)。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，選擇SSTk-ω湍流模型，其適合翼型的數(shù)值模擬，結(jié)果精度較好。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 升阻系數(shù)

如圖9所示，對(duì)于升力而言，在迎角較小的情況下，二維拉伸和三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)兩種充氣機(jī)翼構(gòu)形的升力系數(shù)與NACA0012均十分接近，當(dāng)迎角增大時(shí)，充氣機(jī)翼的升力系數(shù)逐漸小于NACA0012的，說(shuō)明在大迎角條件下充氣機(jī)翼構(gòu)形的升力系數(shù)有所損失，但同時(shí)可以看到充氣機(jī)翼的失速更晚發(fā)生，總體來(lái)講升力系數(shù)損失不大，這個(gè)結(jié)論與文獻(xiàn)[15]中的情況是類似的。

圖9 升力系數(shù)曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of lift coefficient curves

圖10 極曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of polar curves

對(duì)于阻力而言，如圖10所示，可以看到充氣機(jī)翼的阻力系數(shù)相比NACA0012均有了顯著的增大，由此可以推斷在此雷諾數(shù)條件下，充氣機(jī)翼相比NACA0012而言升阻比是降低的，即整體的氣動(dòng)性能將有所損失。同時(shí)進(jìn)一步可以看到，二維拉伸構(gòu)形與NACA0012相比阻力系數(shù)已顯著增大，三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形的阻力系數(shù)與二維拉伸構(gòu)形相比又有所增加。

如表2所示，從具體數(shù)據(jù)分析其原因：由于二維拉伸構(gòu)形相比光滑的NACA0012存在許多凹陷區(qū)域，導(dǎo)致的局部壓差阻力增加了很多，因此總阻力的分布中，壓差阻力比摩阻高了一個(gè)量級(jí)，而在三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形中，可以看到壓差阻力與摩阻所占的比重與二維拉伸構(gòu)形類似，但同時(shí)壓差阻力和摩阻都進(jìn)一步有所增加，且壓差阻力增加得更多。以上分析說(shuō)明三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了形狀阻力，因而氣動(dòng)性能較之二維拉伸構(gòu)形進(jìn)一步有所損失。

表2 2°迎角下阻力系數(shù)的對(duì)比

3.3.2 流場(chǎng)特征和機(jī)理分析

氣動(dòng)系數(shù)的對(duì)比說(shuō)明了充氣機(jī)翼外形致使氣動(dòng)性能下降的主要原因是局部凹陷區(qū)域的摩阻和壓差阻力的變化，其中壓差阻力有較為明顯的增加。本節(jié)從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征和流動(dòng)機(jī)理的角度進(jìn)一步分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

1)緯向截面特征。

針對(duì)某一處局部的凹陷區(qū)域的若干緯向截面進(jìn)行流場(chǎng)特征分析，對(duì)于二維拉伸構(gòu)形，如圖11所示，由于其拉伸構(gòu)形的各個(gè)緯向截面完全一致，因此本質(zhì)上仍然具有二維的流動(dòng)特征。從圖11中可以明顯看出，在此處凹陷區(qū)域形成了回流區(qū)，且各截面的流動(dòng)狀態(tài)保持一致。

圖11 二維拉伸構(gòu)形的局部流線Fig.11 Local streamlines of 2d stretching inflatable

進(jìn)一步，如圖12所示，在此處凹陷部分壁面附近的一定區(qū)域內(nèi)，流體的速度很小并形成回流，意味著該區(qū)域內(nèi)流體的動(dòng)能很大一部分都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流動(dòng)的能量損失就是阻力增加的根本原因。此外，通過(guò)該速度矢量圖還可看到壁面附近附面層的發(fā)展過(guò)程。

圖12 壁面附近速度矢量圖Fig.12 Velocity vectors near the wall

對(duì)于三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形，如圖13所示，其與二維拉伸構(gòu)形的構(gòu)形區(qū)別主要在于每個(gè)緯向截面的形狀是不同的，因此在垂直于緯向截面的方向上看去，不同的截面邊界的高度是不同的。這樣導(dǎo)致在該區(qū)域不同截面所產(chǎn)生的旋渦結(jié)構(gòu)特征也發(fā)生了變化，這必然會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)力的變化，因而各個(gè)截面累加起來(lái)的效果就與二維拉伸構(gòu)形的結(jié)果產(chǎn)生了差別。

圖13 三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形的局部緯向流線Fig.13 Local streamlines of latitude of 3d network inflatable

2)經(jīng)向截面特征。

與緯向截面同理，在三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形的某處局部凹陷區(qū)域垂直于體軸方向取若干經(jīng)向截面，如圖14所示，進(jìn)一步觀察壁面附近流線的形狀以及發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖14 三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形的局部經(jīng)向截面Fig.14 Section of longitude of 3d network inflatable

如圖15(a)所示，由于經(jīng)向平面1位于凹陷區(qū)域上游的圓弧最高位置附近，尚未出現(xiàn)明顯的緯向流動(dòng)，只是在壁面附近靠近凹陷位置的最低處向圓弧最高點(diǎn)過(guò)渡的方向上產(chǎn)生了流線的彎曲；如圖15(b)所示，經(jīng)向平面2的位置已經(jīng)逐漸靠近緯向凹陷區(qū)域的最低點(diǎn)，因此可以看到此處已經(jīng)產(chǎn)生了緯向的流動(dòng)，在靠近凹陷位置的最低處流線向兩側(cè)出發(fā)，并流向圓弧最高點(diǎn)；如圖15(c)所示，經(jīng)向平面3位于緯向凹陷區(qū)域的最低點(diǎn)附近，可以看到此處的緯向流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展，并產(chǎn)生了緯向旋渦回流，說(shuō)明在凹陷位置的最低處緯向流動(dòng)也已經(jīng)造成了比較明顯的流動(dòng)損失，同時(shí)此處的經(jīng)向渦結(jié)構(gòu)也說(shuō)明了圖13所示的不同緯向截面的渦是如何過(guò)渡的。

對(duì)于二維拉伸構(gòu)形，容易知道其經(jīng)向截面的流線分布必定是垂直于壁面的，因而不會(huì)產(chǎn)生緯向流動(dòng)。以上分析表明，三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形由于其構(gòu)形特征所導(dǎo)致的緯向流動(dòng)損失是其氣動(dòng)性能進(jìn)一步降低的本質(zhì)原因。

(a) 經(jīng)向平面1的流線圖(a) Streamlines of longitude on plane 1

(b) 經(jīng)向平面2的流線圖(b) Streamlines of longitude on plane 2

(c) 經(jīng)向平面3的流線圖(c) Streamlines of longitude on plane 3圖15 三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形的局部經(jīng)向流線圖Fig.15 Local streamline charts of 3d network inflatable

3)表面極限流線。

研究表面極限流線的分布狀態(tài)對(duì)于判定流動(dòng)的分離和再附有重要的意義，如圖16所示，仍然取局部凹陷區(qū)域進(jìn)行表面分析。

圖16 三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形的局部極限流線Fig.16 Local limiting streamlines of 3d network inflatable

根據(jù)三維流動(dòng)分離理論[20]，在物面上，分離線附近的極限流線分別向分離線收攏，并以分離線為漸近線；而再附線附近的極限流線是分別向外發(fā)散的，并以再附線為漸近線。

根據(jù)物面上奇點(diǎn)分布規(guī)律，如果分離線以奇點(diǎn)為起始點(diǎn)，那么該奇點(diǎn)必為鞍點(diǎn)，如果再附線從奇點(diǎn)出發(fā)那么該奇點(diǎn)必為節(jié)點(diǎn)，如果再附線進(jìn)入奇點(diǎn)那么該奇點(diǎn)必為鞍點(diǎn)。從圖16中可以看出，左右兩條分離線均從中間鞍點(diǎn)起始；同時(shí)也可以明顯地看到，從左右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，分別出現(xiàn)兩條再附線，兩條再附線終止于靠近凹陷處最低點(diǎn)附近的鞍點(diǎn)。

二維拉伸構(gòu)形的極限流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖17所示，同樣根據(jù)分離和再附的判據(jù)，可以看出凹陷區(qū)域靠前的位置存在一條極限流線靠近收攏的漸進(jìn)線，此線為分離線，而靠后的位置存在一條極限流線離開(kāi)發(fā)散的漸近線，此線為再附線。

圖17 二維拉伸構(gòu)形的局部極限流線Fig.17 Local limiting streamlines of 2d stretching inflatable

至此，對(duì)比二維拉伸構(gòu)形和三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形的表面極限流線分布可以看出，二維拉伸構(gòu)形由于截面形狀不變且無(wú)限展長(zhǎng)，因此仍然保持二維的流動(dòng)特征，即不存在緯向流動(dòng)，只存在沿弦長(zhǎng)方向的流動(dòng)；而三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形形成的凹坑結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)了緯向的流動(dòng)，在凹陷的局部區(qū)域形成了特定的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這也從流動(dòng)機(jī)理上解釋了氣動(dòng)性能產(chǎn)生差異的原因。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)一般受力，分析了經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)充氣機(jī)翼構(gòu)形的特征，為氣動(dòng)特性的研究提供了計(jì)算模型和分析基礎(chǔ)；

2)在設(shè)計(jì)雷諾數(shù)條件下，充氣機(jī)翼的氣動(dòng)性能相比于標(biāo)準(zhǔn)翼型有所降低，氣動(dòng)性能的損失主要體現(xiàn)在升力系數(shù)略有降低、阻力系數(shù)明顯增加；

3) 通過(guò)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析，從機(jī)理上解釋了氣動(dòng)性能降低的原因在于眾多的局部凹陷區(qū)域使得局部流動(dòng)分離產(chǎn)生旋渦，且三維經(jīng)緯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形相比于二維拉伸構(gòu)形產(chǎn)生了緯向流動(dòng)，因此進(jìn)一步加劇了能量的耗損。

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Analysis of configuration characteristics and aerodynamic performance on longitude-latitude network inflatable wings

ZHANG Juntao, HOU Zhongxi, GUO Zheng

Theinflatablewingisagoodinnovationalconceptionforthenearspacesolar-poweredaircraft.Theproblemsofconfigurationcharacteristicsandaerodynamicanalysisofinflatablewingsweretakenastheaimofthecurrentstudy.First,configurationcharacteristicswereanalyzedanddesigned.Thenthemodelof3dnetworkinflatablewingwasdeveloped.Withcomputationalfluiddynamicsmethod,aerodynamicperformancesof2dinflatablewingprofileand3dnetworkinflatablewingwerestudied.Numericalsimulationresultshowsthattheaerodynamicperformancesof2dinflatablewingprofileand3dnetworkinflatablewinghavereducedslightlyatthedesignReynoldsnumber.Meanwhile,withthestructureofflowfieldandmechanismanalysis,thereasonforthetotaldragcoefficientsofinflatablewingsincreasingsignificantlyliesinthat,inthosebumpyareasoftheinflatablewing,vortexeswhichcausethefrictiondraghasareductioninsomeextent,butthepressuredraghasasignificantincrease,sothetotalaerodynamicperformancedecreases.

inflatablewings;configurationcharacteristic;aerodynamicperformance;flowmechanism

2015-03-31

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20145788006)

張俊韜(1986—)，男，天津人，博士研究生，E-mail：zzt136@163.com；侯中喜(通信作者)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：hzx@sina.com

10.11887/j.cn.201504007

http://journal.nudt.edu.cn

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