平流层飞艇大迎角气动特性分析

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1、第4卷第4期2013年11月航空工程进展ADVANCESINAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGV01．4No．4NOV．2013文章编号：1674—8190(2013)04—493—05平流层飞艇大迎角气动特性分析黄龙太，张超，姜琬(中国特种飞行器研究所第七研究室，荆门448035)摘要：为了获得大迎角下的平流层飞艇的气动特性，基于N—S方程及k-coSST湍流模型，对某平流层飞艇的大迎角气动特性进行数值模拟分析。结果表明：平流层飞艇的大迎角失速特性及力矩特性与飞机具有较大的区别

2、，飞艇的失速迎角较大(45。左右)；俯仰力矩特性在失速前呈现完全不同的两种趋势，小迎角范围内其静不稳定，迎角增加到一定程度后变为静稳定且维持该状态直至失速。研究结果对平流层飞艇的大迎角操稳设计、飞控设计具有重要的参考意义。关键词：平流层；飞艇；气动特性；失速；大迎角中图分类号：V211．54文献标识码：AAerodynamicAnalysisonLargeAngleofAttackinStratosphericAirshipHuangLongtai，ZhangChao，JiangWan(SeventhResea

3、rchLaboratory，ChinaSpecialVehicleResearchInstitute，Jingmen448035，China)0引言世界上第一艘载人飞艇从1852年制造并成功飞行至今，飞艇已走过150多年的发展历程。在飞机、直升机等依靠空气动力升空飞行的飞行器广泛应用的今天，飞艇似乎已过时，但近年来，美、俄等军事航空发达国家对飞艇在军、民领域中的作用重新进行深入评估后，开始重新设计、制造和使用飞艇，尤其是针对高空平流层飞艇的研究，处于航空收稿日期：2013—08—04；修回日期：201310—1

4、3通信作者：黄龙太，nwpuhuang@163．corn研究的前沿。飞艇是一种依靠空气浮力升空的、可操纵机动飞行的飞行器，外形一般为旋成体，由艇身、尾翼和任务系统组成，可分为软式、半硬式和硬式结构口]。平流层飞艇高空飞行时一般采取自主控制模式，如果飞艇进入大迎角状态时的气动特性与小迎角状态存在明显差别，可能会使飞控系统发出错误指令，从而出现误操作，严重时造成飞行事故，因此对飞艇的大迎角状态进行研究显得十分必要。国内对于飞艇的研究晚于国外，因此对飞艇的气动特性研究∽1较少，尤其针对大迎角状态的研究更少。本文研究平

5、流层飞艇大迎角的气动特性，重点是飞艇迎角增加时，其气动特性的变化情况，采用妇，●埘町，m舭⋯训一№m咖d-詈一hmm她一一一㈨一一一～一一一～一一。竺黑舾=～一一一～一～～～．坨¨md时vh唯‰一一临～一灿一一一一一一一～～一～一～一一～一一一_薹赫m～枷Ⅲ一m蜘'=_；陀刚托㈨珥H血．曼．置_罟k¨咖沌．m旧出扎引1一吣攀～㈣一～～一一一一一一{l竺然

6、

7、{}一～一～一一～一～一一一一一一～一～一494航空工程进展第4卷N—S方程结合k-(uSST湍流模型嘲的方法对飞艇的大迎角问题进行数值模拟。通过对大迎角气

8、动特性的研究，为平流层的操稳、飞控设计提供一定的参考及数据支持。1计算方法以某飞艇为例，采用数值计算方法进行飞艇的气动特性研究。计算方程采用N—S方程，湍流模型采用k-∞SST模型，计算y+值为1～5。1．1网格模型及边界条件飞艇采用全结构网格建模，网格数为300万，远场长度为艇长的12倍，远场宽度和高度为飞艇艇身最大截面直径的8倍。本文取的计算高度为10km，风速为20m／s。飞艇网格如图1所示。l等l1色H廷I‘qf}}Fig．1Airshipgrid1．2计算方程1．2．1数值计算N—S方程质量守恒方程(

9、连续方程)：娶c)x+襄+警一odVdZ动量守恒方程：a(u)．a(“)．a(“)1“百十口百十训百一一i’墓+u(嘉+盟Oyz+等)五椰I孬十一十再Ja(7J)．a(7，)。a(72)】甜i十可百十叫百一一i。墓+口(嘉+等+磬)a(t￡，)．a(t￡J)．a(tlJ)1“百十口百十叫i一一i。警+u(罄+等+等)(2)(3)(4)1．2．2数值计算k-∞SST湍流模型k-coSST湍流模型的具体方程如下：掣+跫业一芸h婺]jG。一Y。1S-4----+--。————^————一—十一————

10、———————

11、一==一IIT—I-r一．a￡az：az，l‘az，l’一28。2(5)型Ot+掣Ox一毒[r。券Ox卜。az，

12、⋯，I’G。一L+S。+D。(6)式中：G。为湍流的动能；瓯为叫方程；r。、I、。分别为k与叫的有效扩散项；Y。、Y。分别为是与叫的发散项；D。为正交发散项；S。、S。为用户自定义源项。以上各参数均可通过相关公式或方程获得，此处未详细列出。2结果及分析2．1计算结果与试验结