飞艇外形布局气动特性范文

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《计算机仿真杂志》2014年第六期

1气动模型

美国军方设计的双囊体飞艇和三囊体混合式飞艇如图1所示。混合式飞艇结合了常规飞艇与飞机的特性，其分析方法也理应介于飞艇与飞机分析方法之间。对于飞机，通常用升阻比这一指标去衡量飞机的气动性能，设计人员希望飞机在产生足够升力的情况下尽量减少飞机的阻力，以提高飞机的操稳特性;而对于常规飞艇，由于飞行过程中飞艇静升力近乎不变，并且飞行过程中产生的气动升力很小，所以升阻比这一指标不能全面的描述常规飞艇的气动性能。文献［5］中指出，混合式飞艇在飞机和常规飞艇气动特性之间建立了关联，三者在升力曲线和升致阻力曲线上呈现连续变化趋势。正是基于此种内在联系，常规飞艇与飞机的气动模型和气动评价标准对于混合式飞艇也是适用的。下述部分建立了混合式飞艇的气动力模型及升阻比模型。

1．1浮力飞艇的浮力由主气囊内充氦量决定，其值基本不随海拔高度的变化而变化，假设主气囊内充入的氦气纯度足够高，则浮力可表示为:式中:ρ为空气密度，V为飞艇在压力高度飞行时主气囊体积。

1．2气动升力、阻力与飞机的气动特性分析类似，混合式飞艇的气动升力可以表示为:

1．3升阻比由前面建立的浮力、气动升力、气动阻力可推得，混合式飞艇的升阻比模型可以表示为:式中:V/S称为混合式飞艇的尺寸因子，是飞艇主气囊体积与参考面积的比值，其大小约等于V1/3。

2飞艇的几何模型

2．1模型建立条件由于本文主要研究飞艇外形布局方式对飞艇气动性能的影响，所以在建模过程中对一些影响相对较小的部件，如推进器、吊舱、气垫起降装置等进行了忽略。下面是三类飞艇模型建立的基本条件:体飞艇与两种混合式飞艇具有相同的体积(V=30000m3);体飞艇由NACA5527翼型曲线放样而成;双囊体飞艇和三囊体飞艇由单囊体飞艇阵列后去掉相贯部分而成。

2．2飞艇几何模型的建立根据上述基本条件，建立了三类飞艇的几何模型，如图2所示，其中坐标系Oxyz为与飞艇固连的坐标系，点O在艇首顶点，Ox轴为飞艇的纵轴，指向飞艇的尾部，Oy轴在飞艇的纵向对称面内，Oxyz轴构成右手直角坐标系。三类飞艇的总体参数如表1所示。

3飞行条件

由于混合式飞艇结合了气动力，所以其气动特性与大气密度有很紧密的关联，不可能像固定翼飞机那样运行在很高的高度，其飞行高度通常在一万米以下。本文将飞艇飞行高度取为定值7000m，主要研究单囊体、双囊体和三囊体飞艇在该高度下气动特性随攻角和速度的变化关系。

3．1三类飞艇气动特性随攻角变化关系为了能更好地说明飞艇外形布局方式对气动特性的影响，使计算结果具有可比较性，对三类飞艇设计了如下统一的飞行条件，计算中，飞艇攻角的取值范围为－10°～26°，取值间隔为2°，共计十九种工况，如表2所示。

3.2混合式飞艇气动特性随飞行速度变化关系在混合式飞艇的设计过程中，飞行速度是一个重要的设计飞行条件。从式(4)中可以看到，升阻比中存在与速度有关的因子，飞行速度将会对混合式飞艇的气动特性产生重要的影响。为了对文中给出的两种混合式飞艇做出进一步的比较分析，取飞行速度计算范围为20m/s～60m/s，取值间隔为10m/s，共计五种工况分别进行了计算，飞行条件如表3所示。

4飞艇的近壁面网格

4．1网格生成建立三类飞艇的几何模型后，使用ICEM软件划分网格，计算域四周边界距飞艇表面前、上以及两侧的距离均为10倍的艇长，后方为15倍艇长。为了更好地模拟边界层流动，在近壁区采用贴体O型结构网格，边界层上布置15～20层网格，壁面第一层网格满足y+=0.5～1.5，三类飞艇的网格总数均为200万左右。三类飞艇的近壁面网格如图3～图5所示。

4．2计算方法飞艇绕流属于低速不可压流动，使用Fluent软件求解不可压缩流动雷诺平均的Navier—Stokes方程和SSTk－w湍流模型，由于网格纵横比较大，使用双精度求解器，方程的离散采用有限体积法，对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项采用中心差分格式，速度压力耦合方式采用SIMPLE算法。飞艇表面满足无滑移边界条件，艇首前方，两侧和上方远离壁面表面的边界设为速度入口条件，艇尾下游区域边界设为压力出口条件。

5计算结果

对上述三类飞艇网格进行计算，得到计算结果如下。

5．1三类飞艇气动特性随攻角变化关系三类飞艇的升力系数和阻力系数随攻角变化关系分别如图6～图7所示。从图6中可以看到，随着攻角的增大，三类飞艇的升力系数都将变大，单囊体飞艇的变化范围明显小于两种混合式飞艇，而三囊体飞艇的升力特性又优于双囊体飞艇。另外还可以看到，单囊体、双囊体和三囊体飞艇的零升攻角分别在0°、－1°、－3°附近，说明混合式飞艇在负角度下仍可产生升力，可操纵范围较大。从图7中可以看到，随着攻角的增大，三类飞艇的阻力系数都将变大，相比于单囊体飞艇，混合式飞艇的阻力系数在5°攻角后大幅度增加，这与其扁平状的气动外形有关。式(3)中的升致阻力系数由粘性项和非粘性项构成，其中，粘性项主要由囊体的压差阻力引起，非粘性项则由诱导阻力引起。单囊体飞艇前端圆钝，后端尖细，是典型的流线体，其飞行阻力主要为压差阻力，并且其迎风面积远小于混合式升力体飞艇，所以其在飞行过程中的阻力最小;而对于混合式飞艇，气流会绕过艇体从高压区流向低压区，并且产生脱体漩涡，这一漩涡使气流在升力中心产生下洗，进而产生诱导阻力，所以混合式飞艇的阻力由压差阻力和诱导阻力共同构成。与低速飞机的阻力类似，飞艇的摩擦阻力是零升阻力的主要来源，可以看到，本文给出的三类飞艇的零升阻力系数分别为0.018、0.029、0.031，这一数据与理论是一致的，因为对于飞艇来说，囊体是气动阻力的主要来源，而蒙皮摩擦力占了囊体阻力的绝大部分，由于混合式飞艇在相同体积的情况下表面积更大，所以将有更大的零升阻力系数。

5．2混合式飞艇气动特性随速度变化关系双囊体飞艇和三囊体飞艇的升力系数和阻力系数随飞行速度的变化如图8～图9所示。从图中可以看到，随着飞行速度的变化，双囊体飞艇的升力系数和阻力系数的变化范围都比较小，说明其在速度变化时的升阻特性较为平稳，而三囊体飞艇的升力系数和阻力系数的变化范围均比较大，并且阻力系数的增长速率更快。在相同体积的情况下，由于三囊体飞艇外形更加扁平，所以其升力特性要优于双囊体飞艇;另外，双囊体飞艇与三囊体飞艇表面积接近，但三囊体飞艇迎风面积明显大于双囊体艇，所以三囊体飞艇在飞行过程中阻力较大。根据升力、阻力系数曲线及式(4)，可得混合式飞艇升阻比曲线如图10所示。从升阻比曲线可以看到，飞行速度对于混合式飞艇性能的影响是至关重要的。从式(4)中可以看到，混合式飞艇的升阻比与飞艇的尺寸因子和飞行速度相关，在一定范围内，增大飞艇的尺寸因子或减小飞艇的飞行速度，都将显著提升飞艇的飞行性能。也就是说，在一定程度上，混合式飞艇的体积越大、速度越小，则飞行性能越好。所以，如果混合式飞艇的飞行任务对飞行速度没有要求，那么可以减小飞艇速度，使其在最佳气动特性状态下飞行。但是在大多数任务情况下，比如货物运输或区域巡航时，飞艇的速度不能过小，那么就需要设计者根据飞艇的外形、重量及任务的基本要求选择合适的飞行速度值。

6结论

1)与常规单囊体飞艇相比，混合式飞艇在运行中的阻力较大，但升力特性和可操纵性更为优越;2)在相同体积的情况下，三囊体飞艇外形更加扁平，其升力特性要优于双囊体飞艇;而由于迎风面积较大，所以三囊体飞艇的阻力更大;3)对于单囊体飞艇、双囊体飞艇和三囊体飞艇，随着囊体数量的增加，飞艇的气动效率增加，但结构重量增大;4)在一定范围内，混合式飞艇的体积越大、飞行速度越小，则其气动特性越好。8结束语混合式飞艇凭借其优异的气动特性将逐步成为飞艇领域的热点，其在军用和民用领域都有着较为广阔的应用前景，不仅可以作为监测、侦查的电子眼，更可以作为战时武器装备的快速运输工具，特别是当飞艇安装了气垫着陆装置［9］(aircushionlandingsystem)后，其操纵特性将更加灵活。我国拥有广阔的领土和领海资源，十分需要一种滞空时间长、续航能力强的监视侦查工具，可以说，混合式飞艇的发展对增强我国的国防力量大有裨益。

作者：闫峰姜鲁华崔燕香单位：中国科学院光电研究院中国科学院研究生院