飛艇外形布局氣動(dòng)特性范文
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《計(jì)算機(jī)仿真雜志》2014年第六期
1氣動(dòng)模型
美國(guó)軍方設(shè)計(jì)的雙囊體飛艇和三囊體混合式飛艇如圖1所示。混合式飛艇結(jié)合了常規(guī)飛艇與飛機(jī)的特性，其分析方法也理應(yīng)介于飛艇與飛機(jī)分析方法之間。對(duì)于飛機(jī)，通常用升阻比這一指標(biāo)去衡量飛機(jī)的氣動(dòng)性能，設(shè)計(jì)人員希望飛機(jī)在產(chǎn)生足夠升力的情況下盡量減少飛機(jī)的阻力，以提高飛機(jī)的操穩(wěn)特性;而對(duì)于常規(guī)飛艇，由于飛行過程中飛艇靜升力近乎不變，并且飛行過程中產(chǎn)生的氣動(dòng)升力很小，所以升阻比這一指標(biāo)不能全面的描述常規(guī)飛艇的氣動(dòng)性能。文獻(xiàn)［5］中指出，混合式飛艇在飛機(jī)和常規(guī)飛艇氣動(dòng)特性之間建立了關(guān)聯(lián)，三者在升力曲線和升致阻力曲線上呈現(xiàn)連續(xù)變化趨勢(shì)。正是基于此種內(nèi)在聯(lián)系，常規(guī)飛艇與飛機(jī)的氣動(dòng)模型和氣動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于混合式飛艇也是適用的。下述部分建立了混合式飛艇的氣動(dòng)力模型及升阻比模型。
1．1浮力飛艇的浮力由主氣囊內(nèi)充氦量決定，其值基本不隨海拔高度的變化而變化，假設(shè)主氣囊內(nèi)充入的氦氣純度足夠高，則浮力可表示為:式中:ρ為空氣密度，V為飛艇在壓力高度飛行時(shí)主氣囊體積。
1．2氣動(dòng)升力、阻力與飛機(jī)的氣動(dòng)特性分析類似，混合式飛艇的氣動(dòng)升力可以表示為:
1．3升阻比由前面建立的浮力、氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力可推得，混合式飛艇的升阻比模型可以表示為:式中:V/S稱為混合式飛艇的尺寸因子，是飛艇主氣囊體積與參考面積的比值，其大小約等于V1/3。
2飛艇的幾何模型
2．1模型建立條件由于本文主要研究飛艇外形布局方式對(duì)飛艇氣動(dòng)性能的影響，所以在建模過程中對(duì)一些影響相對(duì)較小的部件，如推進(jìn)器、吊艙、氣墊起降裝置等進(jìn)行了忽略。下面是三類飛艇模型建立的基本條件:體飛艇與兩種混合式飛艇具有相同的體積(V=30000m3);體飛艇由NACA5527翼型曲線放樣而成;雙囊體飛艇和三囊體飛艇由單囊體飛艇陣列后去掉相貫部分而成。
2．2飛艇幾何模型的建立根據(jù)上述基本條件，建立了三類飛艇的幾何模型，如圖2所示，其中坐標(biāo)系Oxyz為與飛艇固連的坐標(biāo)系，點(diǎn)O在艇首頂點(diǎn)，Ox軸為飛艇的縱軸，指向飛艇的尾部，Oy軸在飛艇的縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，Oxyz軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。三類飛艇的總體參數(shù)如表1所示。
3飛行條件
由于混合式飛艇結(jié)合了氣動(dòng)力，所以其氣動(dòng)特性與大氣密度有很緊密的關(guān)聯(lián)，不可能像固定翼飛機(jī)那樣運(yùn)行在很高的高度，其飛行高度通常在一萬(wàn)米以下。本文將飛艇飛行高度取為定值7000m，主要研究單囊體、雙囊體和三囊體飛艇在該高度下氣動(dòng)特性隨攻角和速度的變化關(guān)系。
3．1三類飛艇氣動(dòng)特性隨攻角變化關(guān)系為了能更好地說明飛艇外形布局方式對(duì)氣動(dòng)特性的影響，使計(jì)算結(jié)果具有可比較性，對(duì)三類飛艇設(shè)計(jì)了如下統(tǒng)一的飛行條件，計(jì)算中，飛艇攻角的取值范圍為－10°～26°，取值間隔為2°，共計(jì)十九種工況，如表2所示。
3.2混合式飛艇氣動(dòng)特性隨飛行速度變化關(guān)系在混合式飛艇的設(shè)計(jì)過程中，飛行速度是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)飛行條件。從式(4)中可以看到，升阻比中存在與速度有關(guān)的因子，飛行速度將會(huì)對(duì)混合式飛艇的氣動(dòng)特性產(chǎn)生重要的影響。為了對(duì)文中給出的兩種混合式飛艇做出進(jìn)一步的比較分析，取飛行速度計(jì)算范圍為20m/s～60m/s，取值間隔為10m/s，共計(jì)五種工況分別進(jìn)行了計(jì)算，飛行條件如表3所示。
4飛艇的近壁面網(wǎng)格
4．1網(wǎng)格生成建立三類飛艇的幾何模型后，使用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，計(jì)算域四周邊界距飛艇表面前、上以及兩側(cè)的距離均為10倍的艇長(zhǎng)，后方為15倍艇長(zhǎng)。為了更好地模擬邊界層流動(dòng)，在近壁區(qū)采用貼體O型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，邊界層上布置15～20層網(wǎng)格，壁面第一層網(wǎng)格滿足y+=0.5～1.5，三類飛艇的網(wǎng)格總數(shù)均為200萬(wàn)左右。三類飛艇的近壁面網(wǎng)格如圖3～圖5所示。
4．2計(jì)算方法飛艇繞流屬于低速不可壓流動(dòng)，使用Fluent軟件求解不可壓縮流動(dòng)雷諾平均的Navier—Stokes方程和SSTk－w湍流模型，由于網(wǎng)格縱橫比較大，使用雙精度求解器，方程的離散采用有限體積法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，速度壓力耦合方式采用SIMPLE算法。飛艇表面滿足無滑移邊界條件，艇首前方，兩側(cè)和上方遠(yuǎn)離壁面表面的邊界設(shè)為速度入口條件，艇尾下游區(qū)域邊界設(shè)為壓力出口條件。
5計(jì)算結(jié)果
對(duì)上述三類飛艇網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如下。
5．1三類飛艇氣動(dòng)特性隨攻角變化關(guān)系三類飛艇的升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨攻角變化關(guān)系分別如圖6～圖7所示。從圖6中可以看到，隨著攻角的增大，三類飛艇的升力系數(shù)都將變大，單囊體飛艇的變化范圍明顯小于兩種混合式飛艇，而三囊體飛艇的升力特性又優(yōu)于雙囊體飛艇。另外還可以看到，單囊體、雙囊體和三囊體飛艇的零升攻角分別在0°、－1°、－3°附近，說明混合式飛艇在負(fù)角度下仍可產(chǎn)生升力，可操縱范圍較大。從圖7中可以看到，隨著攻角的增大，三類飛艇的阻力系數(shù)都將變大，相比于單囊體飛艇，混合式飛艇的阻力系數(shù)在5°攻角后大幅度增加，這與其扁平狀的氣動(dòng)外形有關(guān)。式(3)中的升致阻力系數(shù)由粘性項(xiàng)和非粘性項(xiàng)構(gòu)成，其中，粘性項(xiàng)主要由囊體的壓差阻力引起，非粘性項(xiàng)則由誘導(dǎo)阻力引起。單囊體飛艇前端圓鈍，后端尖細(xì)，是典型的流線體，其飛行阻力主要為壓差阻力，并且其迎風(fēng)面積遠(yuǎn)小于混合式升力體飛艇，所以其在飛行過程中的阻力最小;而對(duì)于混合式飛艇，氣流會(huì)繞過艇體從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，并且產(chǎn)生脫體漩渦，這一漩渦使氣流在升力中心產(chǎn)生下洗，進(jìn)而產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力，所以混合式飛艇的阻力由壓差阻力和誘導(dǎo)阻力共同構(gòu)成。與低速飛機(jī)的阻力類似，飛艇的摩擦阻力是零升阻力的主要來源，可以看到，本文給出的三類飛艇的零升阻力系數(shù)分別為0.018、0.029、0.031，這一數(shù)據(jù)與理論是一致的，因?yàn)閷?duì)于飛艇來說，囊體是氣動(dòng)阻力的主要來源，而蒙皮摩擦力占了囊體阻力的絕大部分，由于混合式飛艇在相同體積的情況下表面積更大，所以將有更大的零升阻力系數(shù)。
5．2混合式飛艇氣動(dòng)特性隨速度變化關(guān)系雙囊體飛艇和三囊體飛艇的升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨飛行速度的變化如圖8～圖9所示。從圖中可以看到，隨著飛行速度的變化，雙囊體飛艇的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的變化范圍都比較小，說明其在速度變化時(shí)的升阻特性較為平穩(wěn)，而三囊體飛艇的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的變化范圍均比較大，并且阻力系數(shù)的增長(zhǎng)速率更快。在相同體積的情況下，由于三囊體飛艇外形更加扁平，所以其升力特性要優(yōu)于雙囊體飛艇;另外，雙囊體飛艇與三囊體飛艇表面積接近，但三囊體飛艇迎風(fēng)面積明顯大于雙囊體艇，所以三囊體飛艇在飛行過程中阻力較大。根據(jù)升力、阻力系數(shù)曲線及式(4)，可得混合式飛艇升阻比曲線如圖10所示。從升阻比曲線可以看到，飛行速度對(duì)于混合式飛艇性能的影響是至關(guān)重要的。從式(4)中可以看到，混合式飛艇的升阻比與飛艇的尺寸因子和飛行速度相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，增大飛艇的尺寸因子或減小飛艇的飛行速度，都將顯著提升飛艇的飛行性能。也就是說，在一定程度上，混合式飛艇的體積越大、速度越小，則飛行性能越好。所以，如果混合式飛艇的飛行任務(wù)對(duì)飛行速度沒有要求，那么可以減小飛艇速度，使其在最佳氣動(dòng)特性狀態(tài)下飛行。但是在大多數(shù)任務(wù)情況下，比如貨物運(yùn)輸或區(qū)域巡航時(shí)，飛艇的速度不能過小，那么就需要設(shè)計(jì)者根據(jù)飛艇的外形、重量及任務(wù)的基本要求選擇合適的飛行速度值。
6結(jié)論
1)與常規(guī)單囊體飛艇相比，混合式飛艇在運(yùn)行中的阻力較大，但升力特性和可操縱性更為優(yōu)越;2)在相同體積的情況下，三囊體飛艇外形更加扁平，其升力特性要優(yōu)于雙囊體飛艇;而由于迎風(fēng)面積較大，所以三囊體飛艇的阻力更大;3)對(duì)于單囊體飛艇、雙囊體飛艇和三囊體飛艇，隨著囊體數(shù)量的增加，飛艇的氣動(dòng)效率增加，但結(jié)構(gòu)重量增大;4)在一定范圍內(nèi)，混合式飛艇的體積越大、飛行速度越小，則其氣動(dòng)特性越好。8結(jié)束語(yǔ)混合式飛艇憑借其優(yōu)異的氣動(dòng)特性將逐步成為飛艇領(lǐng)域的熱點(diǎn)，其在軍用和民用領(lǐng)域都有著較為廣闊的應(yīng)用前景，不僅可以作為監(jiān)測(cè)、偵查的電子眼，更可以作為戰(zhàn)時(shí)武器裝備的快速運(yùn)輸工具，特別是當(dāng)飛艇安裝了氣墊著陸裝置［9］(aircushionlandingsystem)后，其操縱特性將更加靈活。我國(guó)擁有廣闊的領(lǐng)土和領(lǐng)海資源，十分需要一種滯空時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)航能力強(qiáng)的監(jiān)視偵查工具，可以說，混合式飛艇的發(fā)展對(duì)增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防力量大有裨益。
作者：閆峰姜魯華崔燕香單位：中國(guó)科學(xué)院光電研究院中國(guó)科學(xué)院研究生院