劉傳超，李　琦

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 浮空平臺(tái)部，安徽 合肥 230031)

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系留氣球地面系留狀態(tài)氣動(dòng)分析

劉傳超，李琦

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 浮空平臺(tái)部，安徽 合肥 230031)

系留氣球地面系留狀態(tài)氣動(dòng)力與系留氣球安全密切相關(guān)。由于受地面影響，氣球地面系留狀態(tài)氣動(dòng)特性比空中系留狀態(tài)更復(fù)雜。使用ANSYS Workbench平臺(tái)研究了系留氣球在地面系留狀態(tài)的氣動(dòng)力，并與空中系留狀態(tài)氣動(dòng)力進(jìn)行了比較。研究了地面效應(yīng)、系留高度和系留俯仰角對(duì)系留狀態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：氣動(dòng)力地效影響因素比較復(fù)雜，沒(méi)有簡(jiǎn)單的規(guī)律可循。提出了地面系留狀態(tài)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的一般原則和建議。在計(jì)算中，充分利用了ANSYS Workbench的參數(shù)化設(shè)計(jì)點(diǎn)功能，有效提高了工作效率。

系留氣球；氣動(dòng)特性；地面系留

0　引言

系留氣球球體通過(guò)頭錐與索具系留在系留設(shè)備上的狀態(tài)稱為地面系留狀態(tài)，是系留氣球一種重要工作狀態(tài)[1]。在系留氣球設(shè)計(jì)中，地面系留狀態(tài)一般要求具備比空中系留狀態(tài)更強(qiáng)的抗風(fēng)能力，以便系留氣球在遭遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)，可以迅速由空中系留狀態(tài)切換到地面系留狀態(tài)抵御強(qiáng)風(fēng)。因此，系留氣球地面系留狀態(tài)的抗風(fēng)能力對(duì)系留氣球安全至關(guān)重要。

系留氣球在地面系留狀態(tài)由于受到地面影響，氣動(dòng)特性與空中系留狀態(tài)有明顯不同。地面對(duì)氣球氣動(dòng)特性影響主要包括兩個(gè)方面因素：(1)地面為無(wú)穿透壁面，氣流無(wú)法穿透地面而引起地面對(duì)氣球周圍流動(dòng)干擾；(2)地面為無(wú)滑移壁面邊界，導(dǎo)致氣流在高度方向的風(fēng)切變。

飛機(jī)地面效應(yīng)影響主要表現(xiàn)為地面的增升減阻效果。與飛機(jī)不同的是，系留氣球地面效應(yīng)主要影響效果為系留機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。系留氣球地面系留狀態(tài)為一種長(zhǎng)時(shí)正常工作狀態(tài)，因此，應(yīng)重視系留氣球地面狀態(tài)氣動(dòng)特性。

本文以某系留氣球?yàn)槔?，以ANSYS Workbench[2]為平臺(tái),采用FLUENT軟件對(duì)地面系留狀態(tài)氣球氣動(dòng)特性進(jìn)行計(jì)算，比較分析地面效應(yīng)對(duì)系留氣球氣動(dòng)力的影響，研究了系留氣球地面系留時(shí)，系留俯仰角和系留高度對(duì)氣動(dòng)特性的影響。

1　數(shù)值方法

(1)

式中，κl為邊界層導(dǎo)熱系統(tǒng)，μ為動(dòng)力黏性系數(shù)。

本文的求解為低速定?？諝饬鲃?dòng)問(wèn)題，沒(méi)有源項(xiàng)，不考慮溫度變化?？刂品匠炭珊?jiǎn)化成如下形式：

(2)

利用SIMPLE方法(壓力耦合方程的半隱式算法)求解壓力和速度耦合。壓力修正法的本質(zhì)也是一種迭代法，其思路如下：

(1)迭代開(kāi)始時(shí)，先給定壓力的初始近似p*；

(4)用修正后的壓力p作為p*執(zhí)行步驟(2)和(3)。重復(fù)以上過(guò)程直到速度滿足連續(xù)性方程。

2　計(jì)算過(guò)程

對(duì)某機(jī)動(dòng)式系留氣球地面系留狀態(tài)和空中狀態(tài)不同俯仰角和系留高度多種工況進(jìn)行計(jì)算。在空中系留狀態(tài)，風(fēng)速為均勻風(fēng)，風(fēng)速v=20m/s；在地面系留狀態(tài)，風(fēng)速隨高度變化，風(fēng)速v=20·(h/10.0)0.15m/s[4]，如圖1所示，其中系留高度h為頭錐旋轉(zhuǎn)中心離地高度。對(duì)俯仰角為0°、1°、2°、3°、4°、5°，系留高度為9.5m、10.0m、10.5m共18種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

圖1　地面系留狀態(tài)風(fēng)速剖面

幾何建模采用Design Modeler模塊，該模塊提供了主流三維建模軟件提供的參數(shù)化建模功能，對(duì)導(dǎo)入的系留氣球模型進(jìn)行繞頭錐旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)，外流場(chǎng)區(qū)域與氣球球體的邏輯減運(yùn)算即可得到流體區(qū)域。建模過(guò)程中，將旋轉(zhuǎn)角度(俯仰角)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。地面系留狀態(tài)氣球流體區(qū)域幾何模型如圖2所示。

圖2　地面系留狀態(tài)流體區(qū)域建模

使用ANSYS Meshing對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化分。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)地面與球體周圍添加三棱柱網(wǎng)格邊界層，網(wǎng)格總數(shù)量約為450萬(wàn)。系留氣球表面和地面網(wǎng)格如圖3所示。

圖3　系留氣球及其周圍網(wǎng)格

FLUENT模塊中進(jìn)行如下計(jì)算參數(shù)設(shè)置：求解器采用SIMPLE算法壓力速度分離求解器；湍流模型采用SST K-Omega模型[5]；動(dòng)量方程、湍動(dòng)能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式；球體表面及地面采用無(wú)滑移固壁邊界條件，頂部及左右兩側(cè)邊界采用對(duì)稱邊界條件；來(lái)流方向邊界采用速度入口邊界條件，流出邊界采用壓力出口邊界條件。

為了模擬地面風(fēng)速隨高度變化，速度入口邊界水平風(fēng)速分量和初始水平風(fēng)速分量使用用戶自定義函數(shù)(UDF)進(jìn)行定義[6]。水平風(fēng)速邊界條件由DEFINE_PROFILE宏給定，初始化水平風(fēng)速由DEFINE_INIT宏制定。保證每次迭代計(jì)算前能夠按照風(fēng)速分布規(guī)律，應(yīng)用邊界條件，盡可能合理的初始化流場(chǎng)以達(dá)到盡快收斂的目的。

在FLUENT中設(shè)置升力和繞頭部旋轉(zhuǎn)中心的俯仰力矩為輸出參數(shù)，可以在Workbench中直接查看系留氣球的升力和俯仰力矩。

通過(guò)在DesignModeler和FLUENT中設(shè)置輸入輸出參數(shù)，就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的修改輸入?yún)?shù)設(shè)置新的計(jì)算工況，提取計(jì)算結(jié)果。設(shè)置完成后，只需要更新所有設(shè)計(jì)點(diǎn)即可自動(dòng)完成所有計(jì)算和計(jì)算結(jié)果提取。

3　計(jì)算結(jié)果分析

以3°俯仰角為例，對(duì)系留氣球空中狀態(tài)和系留高度10.0m地面系留兩種狀態(tài)下流場(chǎng)進(jìn)行可視化顯示。

圖4和圖5為3°俯仰角下空中系留狀態(tài)與地面系留狀態(tài)(系留高度10m)的氣球球體表面及周圍壓力分布。圖6和圖7為空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)氣球?qū)ΨQ面內(nèi)速度場(chǎng)。圖8和圖9為空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)氣球?qū)ΨQ面上流線圖。圖9是俯仰角在0°～5°時(shí)，空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)升力系數(shù)隨俯仰角變化曲線，圖10是俯仰角在0°～5°時(shí)，空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)相對(duì)于頭錐旋轉(zhuǎn)中心俯仰力矩系數(shù)隨俯仰角變化曲線。

圖4　空中系留狀態(tài)球體及對(duì)稱面壓力分布

圖5　地面系留狀態(tài)球體及周圍壓力分布

圖6　空中系留狀態(tài)對(duì)稱面內(nèi)速度場(chǎng)

圖7　地面系留狀態(tài)對(duì)稱面內(nèi)速度場(chǎng)

綜合壓力分布圖和流線圖可以看出：

(1)地面系留狀態(tài)和空中系留狀態(tài)氣球壓力分布和流動(dòng)方向相差不大，流場(chǎng)基本狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生改變。

(2)氣球整流罩距離地面高度雖然不高，但是已經(jīng)處于地面邊界層之外。整個(gè)氣球所處的速度梯度隨高度變化比較平和。

(3)由于整流罩距離地面最近，流體流動(dòng)有所變化，主要體現(xiàn)在：整流罩下方地面壓力分布受到了整流罩影響，對(duì)稱面內(nèi)壓力分布受到了地面的影響。

圖8　空中系留狀態(tài)垂直對(duì)稱面內(nèi)流線

圖9　地面系留狀態(tài)垂直對(duì)稱面上流線

圖10　空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)升力系數(shù)

圖10是俯仰角在0°～5°時(shí),空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)升力系數(shù)隨俯仰角變化曲線。圖11是俯仰角在0°～5°時(shí),空中系留狀態(tài)和地面系狀態(tài)相對(duì)于頭錐旋轉(zhuǎn)中心俯仰力矩系數(shù)隨俯仰角變化曲線。

圖11　空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)俯仰力矩系數(shù)

由圖4～圖11綜合分析可以得到如下結(jié)論：

(1)系留俯仰角是影響系留氣球俯仰力矩的重要因素，隨著俯仰角增大，氣球俯仰力矩逐漸減小。俯仰角大于等于1°時(shí)，地面系留狀態(tài)俯仰力矩系數(shù)始終小于零，氣動(dòng)力使系留拉索趨于張緊。地面系留狀態(tài)無(wú)風(fēng)情況下，凈浮力也使系留拉索趨于緊張。因此，整個(gè)系留機(jī)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)地面系留狀態(tài)零力矩對(duì)應(yīng)俯仰角變小，使得系留氣球在更小的系留俯仰角下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋旱孛嫦盗魻顟B(tài)主氣囊由于風(fēng)速切變背部風(fēng)速大于腹部風(fēng)速，由氣體繞流在背部產(chǎn)生的向上負(fù)壓大于腹部產(chǎn)生的負(fù)壓，最終導(dǎo)致方向向上的氣動(dòng)升力和繞Y軸反方向的俯仰力矩。

(3)地面系留狀態(tài)時(shí)，氣動(dòng)力隨高度變化規(guī)律比較復(fù)雜?？傮w來(lái)看，系留高度在10.0米時(shí)穩(wěn)定性最好，高度為9.5米和高度為10.5米穩(wěn)定性均有不同程度的下降。氣動(dòng)隨高度變化受風(fēng)速梯度和地面效應(yīng)雙重影響，高度降低風(fēng)速降低，高度升高地面效應(yīng)減小，這兩個(gè)因素的影響效果相反，故變化規(guī)律比較復(fù)雜。

4　結(jié)語(yǔ)

使用FLUENT軟件對(duì)氣球空中系留狀態(tài)和地面系留狀態(tài)氣動(dòng)力進(jìn)行了計(jì)算和比較分析，研究了地面效應(yīng)對(duì)氣球氣動(dòng)力的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，地面效應(yīng)導(dǎo)致氣球升力和俯仰力矩變化，應(yīng)通過(guò)選擇合適的系留俯仰角和系留高度增大氣球系留狀態(tài)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。系留氣球地面系留狀態(tài)氣動(dòng)力比空中系留狀態(tài)復(fù)雜，除與氣球外形、系留高度和地面風(fēng)形式相關(guān)外，還受到地面系留設(shè)備的影響。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)地面系留狀態(tài)時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素影響，并保留一定余量。

[1] 何強(qiáng).系留氣球系留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2015(19)：34-35.

[2] 段冬霞,崔玉峰,聶超群.燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室參數(shù)化CFD設(shè)計(jì)方法研究[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2014,27(2)：8-13，22.

[3] 約翰D 安德森.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].吳頌平,劉趙淼,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:51-54.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009—2012 [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012:100-101.

[5] 任志安，郝點(diǎn)，謝紅杰.幾種湍流模型及其在FLUENT中的應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù),2009,30(2)：38-40,44.

[6] 張立勛，劉小紅，張松，等.基于多種UDF方法的變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)性能分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(9)：120-124.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：東艷]

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

劉傳超(1979-)，男，山東鄆城人，高級(jí)工程師，主要從事浮空器氣動(dòng)與總體設(shè)計(jì)研究。

V265+;O354

A

1008-9233(2016)05-0029-05