平流层飞艇绕流场及其气动性能的数值模拟与分析

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 8.21MB 87 页 15积分
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摘 要
平流层飞艇是一种用途及其广泛的现代高空浮空器，是未来国民经济和国防
建设的非常重要高新技术产品。平流层飞艇外部绕流场及其气动性能的计算是保
证飞艇稳定性、运动模拟、能源供应和形状优化等方面研究的前提和基础。随着
计算机科学技术的快速发展，采用 CFD 方法数值模拟平流层飞艇外部绕流场及其
气动性能成为了可能。本文在 CFD 软件 Fluent 6.3 的计算平台上，采用了 Reynolds
时均 N-S 方程、Realizable κ-ε湍流模型和 MRF 技术数值模拟了带螺旋桨和尾翼的
平流层双椭球飞艇绕流场。
本文重点计算在不同来流攻角和来流速度下，厚度比为 1:5 的裸艇体和带尾翼
飞艇的绕流场。通过对比飞艇表面和外部流场的压力、速度、剪应力以及涡结构
等参数的变化来分析螺旋桨和尾翼对飞艇总体气动性能的影响情况。
数值计算结果表明：飞艇背部的流动分离流场是基本对称的，当攻角为 0～10°
时，分离以闭式分离为主；当攻角大于 10°时，分离以开式分离为主；大攻角下会
出现多次分离现象，且分离区随着攻角的增大而增大；10°以上攻角时，尾翼对飞
艇总体气动性能的影响是很明显的，影响程度也均随着来流攻角的增大而增大。
从飞艇的体积阻力看，采用相同面积的 X形尾翼优于十字形尾翼；十字形和 X形
尾翼，并没有很大程度的影响飞艇艇体总体表面摩擦阻力的大小。飞艇外部流场
的局部速度会大于来流速度，特别是在一定攻角下出现了涡流时，较大速度主要
集中在飞艇侧面壁面区、涡流区以及尾流部分区域。
飞艇所受到的气动力系数总体随螺旋桨推力系数的增大而增大，飞艇表面摩
擦阻力的变化量相对于形状阻力的变化量较小；螺旋桨与飞艇尾端的距离对飞艇
气动特性也有很大的影响，该距离越小则影响越大；螺旋桨的抽吸和扰动作用主
要集中在靠近螺旋桨的前方区域，随着螺旋桨推力系数的增大，螺旋桨对其前方
区域的影响范围越广，飞艇尾部壁面压力系数的变化量也越大；螺旋桨的作用并
没有很大程度的改变飞艇周向壁面压力分布规律，而是改变了周向壁面的压力系
数大小。
关键词：平流层飞艇 螺旋桨 尾翼 绕流场 气动性能 数值模拟
ABSTRACT
Stratospheric airship is a modern high-altitude aerostat and is applied widely; it is a
very important high-tech product for our future economic and national defense
construction. The external flow field and aerodynamic performance analysis of the
stratospheric airship is a premise and foundation for ensuring the stability of airship,
motion simulation, energy supply and the optimization of shape for airship. With the
rapid development of the computer science and technology, numerical simulation of
external flow field and aerodynamic performance of the stratospheric airship become
possible. In the present work, numerical simulation has been carried out with Fluent 6.3
using Reynolds-averaged N-S equations, the Realizable κ-ε turbulent model and MRF
technology to analyze the flow field of a stratospheric airship with a propeller and fins.
This work focuses on calculating the external flow field of a 1:5 airship body under
the different angle of attack and velocity. By comparing surface pressure, external flow
field, velocity, shear stress and the vortex structure changes of airship to analyze the
affection of aerodynamic performance for the airship with propeller and the fins.
The results show that the separated flow along with the body axis is basically
symmetric. When the attack angle is 0~10 degree, the separation is closed separation
primarily, and when the angle of attack is more than 10 degree, the separation is open
separation primarily; The high angle of attack will result in multiple separation
phenomenon, and area of separation zones increases with increasing angle of attack;
When angle of attack is beyond 10 degree, the influence of the fins to overall
aerodynamic performance is very clear and influence increases with increasing angle of
attack. For the volume resistance, use the same area X type fins is more superior to
cross-shaped fins. The magnitude of the surface friction resistance is not greatly effected
by the X type and cross-shaped fins. The local velocity of airships external flow field is
greater than the flow velocity especially appeared eddy flow in certain angle of attack.
The larger velocity mainly located in side wall, vortex flow and partial wake area.
The aerodynamic force coefficients increase with increasing thrust coefficients of
the propeller. The variation of friction coefficient on the airship surface is relatively
small comparing that of profile drag coefficient. The distance between the propeller and
the tail of the airship has a great impact on the aerodynamic forces for the airship body.
The smaller the distance is, the greater the effect is. The effects of propeller suction and
disturbance are obvious mainly near the front of the propeller. With the increase of
propeller thrust coefficient, the effective region of propeller is more extensive and the
variation of pressure coefficient is greater. Pressure distribution profile in airship
circumferential surface is not changed a lot, but the magnitude of pressure coefficient
changes obviously with the increasing thrust coefficient.
Key words: stratospheric airship, propeller, fins,
aerodynamic performance, numerical simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§ 1.1 研究背景和意义 ..............................................................................................1
§ 1.2 平流层飞艇平台的特点 ..................................................................................1
§ 1.3 研究现状和前景 ..............................................................................................2
§ 1.4 本文主要内容 ..................................................................................................5
第二章 平流层飞艇的空气动力特性 .............................................................................6
§ 2.1 飞艇总体受力分析 ..........................................................................................6
§ 2.2 影响飞艇空气动力的因素 ..............................................................................7
§ 2.2.1 飞行姿态和气流方向 ............................................................................7
§ 2.2.2 外部环境和飞行速度 ............................................................................8
§ 2.2.3 飞艇形状和表面情况 ............................................................................9
§ 2.2.4 尾翼类型及其安装位置 ........................................................................9
§ 2.2.5 螺旋桨形状及其推力系数 ..................................................................10
§ 2.3 飞艇的气动力学性能 ....................................................................................11
§ 2.3.1 升力 ......................................................................................................11
§ 2.3.1.1 艇身和尾翼的升力 ....................................................................11
§ 2.3.1.2 艇身和尾翼组合体的升力 ........................................................12
§ 2.3.2 阻力 ......................................................................................................12
§ 2.3.2.1 摩擦阻力 ....................................................................................13
§ 2.3.2.2 压差阻力 ....................................................................................13
§ 2.3.2.3 诱导阻力 ....................................................................................14
§ 2.4 气动参数计算 ................................................................................................15
§ 2.5 本章小结 ........................................................................................................15
第三章 数学模型与数值计算方法 ...............................................................................17
§ 3.1 流体力学模型 ................................................................................................17
§ 3.2 湍流的数值模拟方法 ....................................................................................18
§ 3.2.1 直接数值模拟（DNS）......................................................................19
§ 3.2.2 大涡模拟（LES）.............................................................................. 20
§ 3.2.3 Reynolds 平均法（RNAS）................................................................20
§ 3.2.4 湍流模式的选择 ..................................................................................22
§ 3.2.5 飞艇壁面区流动情况 ..........................................................................22
§ 3.2.6 壁面函数法 ..........................................................................................23
§ 3.3 转动模型的选择 ............................................................................................24
§ 3.3.1 MRF 模型 ............................................................................................. 25
§ 3.3.2 MP 模型 ................................................................................................26
§ 3.3.3 SM 模型 ................................................................................................26
§ 3.4 数值计算方法 ................................................................................................27
§ 3.4.1 控制方程的离散 ..................................................................................27
§ 3.4.2 有限体积法 ..........................................................................................28
§ 3.5 计算网格生成技术 ........................................................................................28
§ 3.6 本章小结 ........................................................................................................30
第四章 带螺旋桨飞艇裸艇体气动性能的数值分析 ...................................................31
§ 4.1 物理模型 ........................................................................................................31
§ 4.2 计算网格 ........................................................................................................31
§ 4.3 边界条件 ........................................................................................................32
§ 4.4 计算方法验证 ................................................................................................33
§ 4.5 裸艇体绕流场的数值模拟 ............................................................................35
§ 4.5.1 体积阻力系数随雷诺数和攻角的变化规律 ......................................35
§ 4.5.2 摩擦阻力和升力系数随雷诺数和攻角的变化规律 ..........................36
§ 4.5.3 飞艇截面周向表面摩擦阻力系数分析 ..............................................38
§ 4.5.4 飞艇截面周向表面压力系数分析 ......................................................41
§ 4.5.5 飞艇外部流场压力和速度分布 ..........................................................43
§ 4.5.6 飞艇轴向截面流场压力和速度分布 ..................................................45
§ 4.5.7 飞艇背部流场分离流线分析 ..............................................................46
§ 4.6 带螺旋桨裸艇体气动性能的数值分析 ........................................................47
§ 4.6.1 形状阻力和摩擦阻力随推力系数的变化规律 ..................................47
§ 4.6.2 升力和俯仰力矩随推力系数的变化规律 ..........................................48
§ 4.6.3 飞艇表面压力系数变化情况分析 .......................................................49
§ 4.6.4 飞艇空间流动结构对比分析 ..............................................................50
§ 4.7 本章小结 ........................................................................................................51
第五章 带尾翼和螺旋桨飞艇气动性能的数值分析 ...................................................53
§ 5.1 尾翼的选择 ....................................................................................................53
§ 5.2 物理模型 ........................................................................................................54
§ 5.3 计算网格 ........................................................................................................55
§ 5.4 边界条件 ........................................................................................................56
§ 5.5 计算方法验证 ................................................................................................56
§ 5.6 带尾翼飞艇气动性能的数分析 ....................................................................59
§ 5.6.1 十字形和 X形尾翼对体积阻力的影响 .............................................59
§ 5.6.2 十字形和 X形尾翼对升力的影响 .....................................................60
§ 5.6.3 十字形和 X形尾翼对摩擦阻力的影响 .............................................61
§ 5.7 飞艇/尾翼表面压力和摩擦阻力分布 ........................................................ 62
§ 5.8 飞艇外部流场截面压力和速度分布 ..........................................................65
§ 5.9 飞艇外部流场截面流线对比 ......................................................................70
§ 5.10 带尾翼飞艇外部流线 ................................................................................71
§ 5.11 螺旋桨对带十字形尾翼飞艇气动性能的影响 ........................................72
§ 5.11.1 螺旋桨对带尾翼飞艇气动力的影响 ..............................................72
§ 5.11.2 飞艇尾部压力分布对比 ..................................................................73
§ 5.11.3 螺旋桨滑流流线 ..............................................................................73
§ 5.12 本章小结 ....................................................................................................74
第六章 结论与展望 .......................................................................................................75
§ 6.1 结论 ................................................................................................................75
§ 6.2 展望 ................................................................................................................76
主要符号表 .....................................................................................................................77
参考文献 .............................................................................................错误！未定义书签。
在读期间公开发表的论文和承担科研项目 .................................................................82
致 谢 ...............................................................................................................................83
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§ 1.1 研究背景和意义
平流层位于大气层的对流层之上，距离海平面约 12～55km，人们所熟悉的高
速飞行器，如民用飞机、军用战斗机等，它们的飞行空间一般都在平流层底部。
在平流层，空气稀薄、气流比较平稳、垂直温度梯度小，有良好的电磁特性，是
一个比较理想的部署空中信息平台、无线中继通信和地球遥感遥测的环境空间[1]。
随着科学技术的发展，在世界上掀起了研究和开发平流层平台的热潮。
平流层飞艇是一种轻于空气的飞行器，飞行高度约距海平面 20km 左右，能长
时间定点驻空，非常合适作为新型信息平台。平流层飞艇平台作为一种低速或者
静止的空中平台，在空间开发、通讯中继、交通监控、地质勘探等领域有着广泛
的应用前景。在军事领域，它作为一个廉价的通讯平台可以为我们提供一个长期
的远程预警探测作用，可探测到距离 200km 以上的巡航导弹、歼击机和轰炸机等，
起到联合作战中枢的作用；在民用领域，它是一个通用航空的理想平台，可以进
行地球环境变化观测，气象数据探测以及对指定地区进行环境破坏监视等；另外
可以在灾害来临时构成广大区域的监视系统，起到一个小型卫星的作用。由于其
军事和民用的重要价值，美、英、俄、德、日本、韩国等国已投入了大量经费进
行实验和研制。
飞艇技术在百年航空发展历程中曾经有过辉煌发展的黄金时代，以低空飞艇
为代表，后因当时飞机技术的不断发展以及关键技术所限，导致了飞艇的研究近
几十年停滞不前。如今先进的航空材料、航空工艺制造、航空电子设备、航空发
动机技术和航空理论研究的快速发展，近地空高性能飞艇的研究也重新看到了希
望。由于飞艇独特的应用前景，特别在平流层飞艇平台的概念提出后，从上世纪 80
年代以来，它已经在航空器领域重新活跃起来了。在 20 世纪 90 年代，俄罗斯在
飞艇研制方面处于世界领先地位，但主要运行在 10km 以下的空间，属于低空飞艇，
用于试验，运输和侦察等[1]。
§ 1.2 平流层飞艇平台的特点
平流层飞艇平台是指一种工作于平流层高度(12～45km) 、长航时、准静止、
可装载一定规模有效载荷的高空平台[1]。由于平流层环境和平流层飞艇有其相应特
殊性，这给人们带来了很多新的挑战，比如飞艇的结构、定点和控制等技术。平
流层飞艇与低空飞艇和其他飞行器外形上有很大的不同。由于平流层中大气的密
平流层飞艇绕流场及其气动性能的数值模拟与分析
2
度很小，海拔 20km 时约为地球海平面大气密度的 1/13 左右，而平流层飞艇的定
点高度较大，主要是靠艇体所装载的气体与外面大气形成的密度差来提供向上运
动和高空定点所需的浮力，因此为了使飞艇能够承受所需的有效负载能力，平流
层飞艇的体积一般都很大，长度都在 150m 以上，由于其庞大的体积使得飞艇总体
操纵不便，飞行速度较慢，且易受气流的影响；另外飞艇自身受到的气动阻力也
是非常大的，因此飞艇气动力的计算对飞艇的能源供应、飞行控制以及总体系统
的安全稳定都有重要意义。由于平流层飞艇与低空飞艇以及其他飞行器在外形上
存在较大差异，因此其空气动力学与传统飞机和导弹空气动力学的研究不同，采
用常规的气动估算方法也必然会带来较大的误差[3]。
平流层飞艇一般为软式飞艇。由于飞艇自身重量的限制，其外部蒙皮和充放
气囊等的主要材料由强度较大，自重相对较轻的薄膜组成，因此我们称其为软式
飞艇，又称其为非刚性飞艇（Non-rigid Airship）。对于软式飞艇，其薄膜结构容易
受到环境压力和温度变化的影响而发生变形。薄膜结构具有与其它结构不同的力
学性能，例如其变形一般属于大变形结构，因而其分析方法有别于其它常用结构，
早期研究一般侧重于结构受力变形分析。根据目前的研究，尚无合适的柔性体气
动力模型试验的相似律，这使得柔性体飞艇气动力的计算尤为困难[3]。为了了解艇
体与外部流体之间相互作用的内在规律，数值计算也成为了主要的解决方法。
平流层飞艇需要长时间定点滞空。虽然平流层大气流动较为平稳，但仍然是
难于预料的。因此要使得飞艇能定点滞空也是飞艇设计中的难点，它对自动控制
系统和能源供应系统的设计都是很大的挑战。而要实现自动控制和稳定调节都必
须考虑到外部扰动（如侧向气流等）对飞艇总体气动参数的影响。另外平流层飞
艇需要长时间滞留才有较大的应用价值，长时间的能源供应是必要的，从目前的
研究进展来看大多使用燃料电池加太阳能电池板作为主要的能源供应系统；从能
源供应的角度来看，减小飞艇所受的气动阻力是现代飞艇设计急需要解决的问题。
可见平流层飞艇的设计、运行、维护是一个庞大而又复杂的系统工程，它涉
及到的关键技术包括材料工艺、能源动力以及控制导航等方方面面。
§ 1.3 研究现状和前景
早在 20 世纪 60 年代，美国空军就已经开始尝试平流层平台的研制和试飞。
但由于各方面的原因，未能取得成功。但是美、英、俄、德、日本韩国等国对飞
艇的研究工作从没有停止过，其实验室工作一直在进行中[1]。
美国 Sky Station International(SSI)公司首先提出轻于空气的高空平台计划。2l
世纪后，美国开展一系列高空飞艇计划；如由美国导弹防御局负责开发的高高空
第一章 绪 论
3
飞艇(HAA)项目，美军正在积极开发的 V形飞艇项目，以及美国约翰斯·霍普金斯
大学正研制一种一次性使用的高空侦察飞艇，称为“哈维”(HARVe)。此外，欧洲
航天天局在 2000 年3月，联合德国宇航公司、英国兰德斯特朗气球公司和荷兰代
尔夫理工大学，完成了对高空飞艇方案的初步评估。日本对平流层飞艇平台的研
究也起步较早，由于政府大力支持，已取得丰硕研究成果，在诸如材料、能源、
结构设计、控制及热解析等多项关键技术方面走在世界前列；另外，日本航宇开
发局(JAXA)和日本国家信息和通信技术研究院(NICT)于1998 年启动了一项称为
“同温层平台”的研究项目[3-4]。
我国平流层飞艇研制较国外起步较晚，于 2000 年启动平流层飞艇平台的科研
项目，在国家信息产业部组织下，多家单位对飞艇平台进行了全面可行性预研和
方案论证项目。目前国内研制飞艇单位较少，所研制的飞艇尺寸不大，飞行高度
低(5km 以下)，定点悬停能力较弱，承载能力和飞行高度远不能满足国防安全对高
空飞艇的军事需求。
平流层大气流动虽然较为平稳，但也存在着不可避免的扰动。这种扰动对于
体积较大的飞艇有明显的影响，主要体现在气动参数的变化上；另外在上升和下
降工程中，飞艇均在大攻角下飞行，在大攻角下飞艇表面会出现纵向和横向的边
界层分离现象，分离的结果将大大增加飞艇所受到的气动力和不稳定性，因此如
何安全有效的设计和控制这种影响也是平流层飞艇设计中在技术上的重点和难
点；在空气动力学模型基础上，对飞艇平台提供一定的控制策略来控制其飞行定
点姿态以及抑制其所受环境的扰动等，因此对于有各种用途的飞艇平台，要使其
能够正常的工作，十分必要精确计算飞艇所受的气动力，只有准确把握飞艇的空
气动力学特性，其稳定性、运动模拟、能源供应和形状优化等方面的研究才更有
意义。不同的飞行器根据其相应的外形特点，可以通过理论和试验分析得出相应
的经验公式来估算其气动力[4]，然而理论分析很难得到精确的解析解，即使得出经
验公式也难于满足不同工况下的计算需求；另外试验研究则要花费大量的时间和
精力，因此数值计算方法也越来越受到人们的关注。
经典外形飞艇的单独艇身有着极大的不稳定性，艇尾的尾翼装置可以使空气
动力学合力的作用点后移，并把这种不稳定性减小到可以接受的程度[16]。可见尾
翼是保证飞艇稳定性和操纵性的重要因素。然而在一定攻角带尾翼飞艇的水平翼
会形成边界层分离和翼涡，它和艇体背部所旋成的体涡相互影响，会使得飞艇气
动参数发生一定的变化，根据 Funk 和Lutz[6](2003)的实验研究，说明了尾翼对飞艇
总体气动参数的影响是不能忽略的。如何选择性能高效的尾翼也是新一代飞艇设
计的主要任务。
摘要：

摘要平流层飞艇是一种用途及其广泛的现代高空浮空器，是未来国民经济和国防建设的非常重要高新技术产品。平流层飞艇外部绕流场及其气动性能的计算是保证飞艇稳定性、运动模拟、能源供应和形状优化等方面研究的前提和基础。随着计算机科学技术的快速发展，采用CFD方法数值模拟平流层飞艇外部绕流场及其气动性能成为了可能。本文在CFD软件Fluent6.3的计算平台上，采用了Reynolds时均N-S方程、Realizableκ-ε湍流模型和MRF技术数值模拟了带螺旋桨和尾翼的平流层双椭球飞艇绕流场。本文重点计算在不同来流攻角和来流速度下，厚度比为1:5的裸艇体和带尾翼飞艇的绕流场。通过对比飞艇表面和外部流场的压力...

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