平流层飞艇气动阻力的参数分析
发布时间：2021-08-27 06:44
为了研究环境参数及外形布局对平流层飞艇气动阻力的影响,在验证CFD数值模拟方法的基础上,从气动阻力包括压差阻力与摩擦阻力的角度探讨了风速、动力粘度系数、空气密度、Re数、长细比及尾翼对飞艇气动阻力的影响规律及机理。结果表明:气动阻力系数随风速与空气密度的增加而减小,随动力粘度系数的增加而增加;气动阻力系数随Re数减小的趋势,取决于摩擦阻力系数随Re数的减小趋势;随长细比的增加,摩擦阻力系数呈现增加趋势,但气动阻力系数呈现先减小后增加的趋势;尾翼对气动阻力系数的影响主要体现在压差阻力系数的改变。
【文章来源】：工程力学. 2019,36(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
风洞模型布置图
250工程力学验完全一致的几何模型；2)将模型导入Gambit中，定义计算域：设定模型距离地面的高度为H，模型迎风前缘距风速入口5H，出口距模型后缘15H，模型侧面及顶部距计算域壁面5H；3)划分网格：计算域采用结构网格与非结构网格相结合，模型周围的核心区域采用非结构网格。单元最小尺寸为0.01m。设定边界层网格划分为5层，起始边界层网格厚度为单元最小尺寸的一半，即0.005m。计算域尺寸及网格布置如图4所示。5H5H15HH图4模型网格划分Fig.4Meshingofthemodel边界条件设置：采用速度入口，均匀入口流速为10m/s。出口条件为自由流出口。模型表面设置为No-Slip非滑移壁面约束，计算域四周壁面设置为Slip滑移约束。流体介质参数与试验环境参数一致：密度ρ0=1.225kg/m3，动力粘性系数μ0=1.7894×105kg/(m·s)。湍流模型：对于不可压缩流体的湍流运动，雷诺平均纳维-斯托克(RANS)方程是目前工程中常用的方法，该方法的核心是将湍流运动分为平均运动与脉动运动，通过湍流模式化来考虑脉动运动对平均运动的影响。湍流模型分为代数模型(零方程模型)、一方程模型(Spalart-Allmaras，S-A)与二方程模型(k-ε、k-ω)。其中，一方程模型是代数模型与二方程模型的折合，可考虑较复杂的湍流流动，计算效率比较高，数值稳定性较好，已经航空航天器的气动研究中得到了广泛的应用[18－23]。计算方法：对于RANS方程，Fluent中包含密度求解器与压力求解器。压力求解器主要用于低速不可压缩流体，而密度求解器主要用于高速可压缩流体。平流层飞?
器主要用于低速不可压缩流体，而密度求解器主要用于高速可压缩流体。平流层飞艇是典型的低速航空器[23―24]，其飞行速度一般不超过100km/h，采用压力求解器对控制微分方程进行离散，采用有限体积法将微分方程分解成一系列关于多个变量的非线性耦合代数方程组。在运用有限体积法时，采用二阶迎风格式离散对流项，采用中心差分格式离散扩散项，压力速度耦合联合采用SIMPLEC算法与PISO算法。1.3数值方法的验证取水平姿态的试验结果与数值结果进行对比分析。基于Tecplot绘制艇体风压分布图，图5与图6分别给出对应的俯视图与仰视图。观察发现，数值与试验所得艇体的风压分布规律一致。(a)试验(b)数值图5试验与数值风压分布对比图(俯视图)Fig.5Comparisonofwindpressuredistributionbetweenexperimentandsimulation(topview)(a)试验(b)数值图6试验与数值风压分布对比图(仰视图)Fig.6Comparisonofwindpressuredistributionbetweenexperimentandsimulation(bottomview)为了进一步验证数值方法的正确性，提取子午线φ=30°与φ=150°上测点对应的风压系数进行对比。规定艇体下垂尾对应的子午线为φ=180°，如图7所示。图7子午线位置示意图Fig.7Locationofmeridians
【参考文献】：
期刊论文
[1]平流层飞艇气动阻力的数值模拟及公式拟合[J]. 李天娥,孙晓颖,张中昱,林国昌. 工程力学. 2017(08)
[2]平流层飞艇的多目标优化与决策[J]. 孙晓颖,李天娥,陆正争,武岳,王长国. 工程力学. 2015(06)
[3]平流层飞艇充气柔性膜结构的区间不确定优化[J]. 仇翯辰,邱志平. 工程力学. 2015(04)
[4]飞艇大攻角绕流气动特性模拟及湍流模型与参数影响研究[J]. 吴小翠,王一伟,黄晨光,杜特专,于娴娴,廖丽涓. 工程力学. 2014(08)
[5]平流层飞艇大迎角气动特性分析[J]. 黄龙太,张超,姜琬. 航空工程进展. 2013(04)
[6]基于响应面法的某双体飞艇囊体气动外形优化[J]. 曹鹏钧,姜琬,张华. 航空计算技术. 2012(01)
[7]飞艇空气动力学及其相关问题[J]. 任一鹏,田中伟,吴子牛. 航空学报. 2010(03)
[8]驻点引射飞艇减阻数值模拟[J]. 谢飞,叶正寅. 工程力学. 2010(02)
[9]平流层双轴椭球体飞艇绕流场的数值分析[J]. 张丹,郭雪岩. 力学季刊. 2008(04)
[10]平流层飞艇放飞、回收过程初步分析[J]. 赵攀峰,王永林,刘传超. 航空科学技术. 2007(04)
博士论文
[1]张拉膜结构气弹失稳机理研究[D]. 陈昭庆.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3365866
【文章来源】：工程力学. 2019,36(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
风洞模型布置图
250工程力学验完全一致的几何模型；2)将模型导入Gambit中，定义计算域：设定模型距离地面的高度为H，模型迎风前缘距风速入口5H，出口距模型后缘15H，模型侧面及顶部距计算域壁面5H；3)划分网格：计算域采用结构网格与非结构网格相结合，模型周围的核心区域采用非结构网格。单元最小尺寸为0.01m。设定边界层网格划分为5层，起始边界层网格厚度为单元最小尺寸的一半，即0.005m。计算域尺寸及网格布置如图4所示。5H5H15HH图4模型网格划分Fig.4Meshingofthemodel边界条件设置：采用速度入口，均匀入口流速为10m/s。出口条件为自由流出口。模型表面设置为No-Slip非滑移壁面约束，计算域四周壁面设置为Slip滑移约束。流体介质参数与试验环境参数一致：密度ρ0=1.225kg/m3，动力粘性系数μ0=1.7894×105kg/(m·s)。湍流模型：对于不可压缩流体的湍流运动，雷诺平均纳维-斯托克(RANS)方程是目前工程中常用的方法，该方法的核心是将湍流运动分为平均运动与脉动运动，通过湍流模式化来考虑脉动运动对平均运动的影响。湍流模型分为代数模型(零方程模型)、一方程模型(Spalart-Allmaras，S-A)与二方程模型(k-ε、k-ω)。其中，一方程模型是代数模型与二方程模型的折合，可考虑较复杂的湍流流动，计算效率比较高，数值稳定性较好，已经航空航天器的气动研究中得到了广泛的应用[18－23]。计算方法：对于RANS方程，Fluent中包含密度求解器与压力求解器。压力求解器主要用于低速不可压缩流体，而密度求解器主要用于高速可压缩流体。平流层飞?
器主要用于低速不可压缩流体，而密度求解器主要用于高速可压缩流体。平流层飞艇是典型的低速航空器[23―24]，其飞行速度一般不超过100km/h，采用压力求解器对控制微分方程进行离散，采用有限体积法将微分方程分解成一系列关于多个变量的非线性耦合代数方程组。在运用有限体积法时，采用二阶迎风格式离散对流项，采用中心差分格式离散扩散项，压力速度耦合联合采用SIMPLEC算法与PISO算法。1.3数值方法的验证取水平姿态的试验结果与数值结果进行对比分析。基于Tecplot绘制艇体风压分布图，图5与图6分别给出对应的俯视图与仰视图。观察发现，数值与试验所得艇体的风压分布规律一致。(a)试验(b)数值图5试验与数值风压分布对比图(俯视图)Fig.5Comparisonofwindpressuredistributionbetweenexperimentandsimulation(topview)(a)试验(b)数值图6试验与数值风压分布对比图(仰视图)Fig.6Comparisonofwindpressuredistributionbetweenexperimentandsimulation(bottomview)为了进一步验证数值方法的正确性，提取子午线φ=30°与φ=150°上测点对应的风压系数进行对比。规定艇体下垂尾对应的子午线为φ=180°，如图7所示。图7子午线位置示意图Fig.7Locationofmeridians
【参考文献】：
期刊论文
[1]平流层飞艇气动阻力的数值模拟及公式拟合[J]. 李天娥,孙晓颖,张中昱,林国昌. 工程力学. 2017(08)
[2]平流层飞艇的多目标优化与决策[J]. 孙晓颖,李天娥,陆正争,武岳,王长国. 工程力学. 2015(06)
[3]平流层飞艇充气柔性膜结构的区间不确定优化[J]. 仇翯辰,邱志平. 工程力学. 2015(04)
[4]飞艇大攻角绕流气动特性模拟及湍流模型与参数影响研究[J]. 吴小翠,王一伟,黄晨光,杜特专,于娴娴,廖丽涓. 工程力学. 2014(08)
[5]平流层飞艇大迎角气动特性分析[J]. 黄龙太,张超,姜琬. 航空工程进展. 2013(04)
[6]基于响应面法的某双体飞艇囊体气动外形优化[J]. 曹鹏钧,姜琬,张华. 航空计算技术. 2012(01)
[7]飞艇空气动力学及其相关问题[J]. 任一鹏,田中伟,吴子牛. 航空学报. 2010(03)
[8]驻点引射飞艇减阻数值模拟[J]. 谢飞,叶正寅. 工程力学. 2010(02)
[9]平流层双轴椭球体飞艇绕流场的数值分析[J]. 张丹,郭雪岩. 力学季刊. 2008(04)
[10]平流层飞艇放飞、回收过程初步分析[J]. 赵攀峰,王永林,刘传超. 航空科学技术. 2007(04)
博士论文
[1]张拉膜结构气弹失稳机理研究[D]. 陈昭庆.哈尔滨工业大学 2015
本文编号：3365866
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