系留气球整流罩形状影响模拟研究

【摘 要】系留气球作为一种浮空器可以通过搭载不同种类的载荷在预警、通信、监测等领域有着重要的应用价值，而整流罩的存在保护载荷的同时也会引入新的问题。本文应0用Fluent软件对三种整流罩形状（方形、球形、球形修正）的系留气球气动性能进行计算，主要考察整流罩形状对系留气球阻力和流场的影响。模拟结果表明，方形整流罩带来的气动阻力最大，并会对流场产生较大的扰动；球形以及经过形态修正的整流罩带来的阻力较小。为实际应用中系留气球的整流罩形状的选取提供参考。

【关键词】系留气球，整流罩形状，数值模拟，阻力系数，流场

中图分类号： P742；TE95 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）34-0010-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.005

0 引言

系留气球是一种依靠其内部浮生气体获得浮力（主要是氦气）并应用系留缆绳牵引的浮空器。因其具有高空定点、长时间系留以及可以搭载不同载荷等优点，在预警探测、通信、监控等领域具有重要的应用价值[1]。在实际使用中，系留气球所搭载的载荷一般悬挂在球身的下方，为了保护载荷在工作中不被风吹雨淋登损毁，一般需要在载荷外边加整流罩，在保护载荷的同时也起到整流的作用。

整流罩的存在一方面会对系留气球引入多余的气动阻力，另一方面或多或少会对流场产生干扰。因此在实际应用中对整流罩形状的选择十分重要。

本文应用Fluent软件对不同整流罩形状的系留气球的气动特性进行计算，比较分析了整流罩形状对系留气球的气动力和流场的影响，为实际应用系留气球整流罩形状的选取提供参考。

1 计算过程

1.1 系留气球模型建立

Fluent商业软件是一个通用的CFD软件包[2]，现在属于ANSYS 软件的一部分，Ansys软件具有完整的前处理，仿真和后处理能力。其前处理过程可以直接导入三维软件的模型进行网格划分。本文首先应用三维建模软件Solidworks进行系留气球的建模，为简化分析，建模采用缩比模型，缩比后的系留气球模型总长1.25m。气球的母线方程采用文献[3]中椭圆、圆台和球台组合曲线。尾翼布局选取倒“Y”布局。选取三种形状的整流罩进行模拟，分别为方形整流罩，与方形整流罩具有相同外露体积的球形整流，以及在球形的基础上进行形状修正的整流罩。三种模型如图1（a）～（c）所示。

（b）球形；（c）球形并修正。

1.2 模拟设置

将模型导入Ansys，并应用Mesh模块进行网格划分。网格为非结构网格，在球体表面布置棱柱边界层网格，总网格量约300万。在Fluent模块中进行计算。计算设置如下：采用定常模拟，湍流模型采用SST K-Omega模型[4]，球体为无滑移wall边界。入口边界为速度边界，来流速度v=20m/s，来流攻角0度；出口边界设置压力出口。求解器采用SIMPLE求解器。应用CFD-POST模块进行后处理。

2 结果分析

首先考察整流罩形状对系留气球气动阻力的影响。在本文模拟中，系留气球的总阻力由球身阻力、尾翼阻力以及整流罩阻力组成。分别提取三种整流罩形态的系留气球的球身阻力系数，尾翼阻力系数，整流罩阻力系数和总阻力系数如图2所示。可以看到，尾翼的阻力占比很小，而整流罩和球身的阻力系数大小相当，是总阻力的主要来源。通过对比可以看出，整流罩形状对阻力的大小具有很大影响，方形整流罩会引入较大的阻力，接近球形整流罩阻力的2倍。整流罩的引入同时也会加大球身的阻力系数，这使得挂载方形整流罩的系留气球总阻力也接近挂载球形整流罩的系留气球总阻力的2倍，而对球形整流罩进行形状修正则可以进一步减小气动阻力。

为进一步揭示整流罩的影响，提取三种整流罩形状的系留气球表面和对称面压力分布如图3所示。从图中可以看到，在来流情况下，方形整流罩的整个迎风面上都出现的高压，高压区域明显大于后两者形状的整流罩，而背风面则压力较低。这是方形整流罩引起较大阻力系数的主要原因。

（c）球形并修正

通过提取对称面上的速度分布可以清楚观察到整流罩对流场的影响，如图4所示。可以看出，方形整流罩会引起明显的流动分离，在较大区域内都对流场产生影响，而后两者形状整流罩对流场的影响相对较小。众所周知，风吹过球形物体之后也会出现不对称的涡街[5]，这对系留气球工作时的稳定性也会产生不利影响，因此在实际使用中应该对球形进行一定修正。

（b）球形；（c）球形并修正

3 结论

本文通过Fluent对三种整流罩形状（方形、球形、球形修正）的系留气球气动性能进行计算。结果表明，方形整流罩带来的气动阻力最大，同时对整个流场的扰动也最大；而球形以及经过修正的整流罩形态带来的阻力较小，对流场的扰动也较小。同时考虑到系留气球在实际使用中所受的气动阻力和稳定性，应该根据模拟结果选择经过修正的整流罩形状。

【参考文献】

[1]〔英〕G.A.库利，J.D.吉勒特/著.飞艇技术[M].王生等译.姜鲁华校.北京：科学出版社，2007.

[2]唐家鵬.FLUENT 14.0超级学习手册.人民邮电出版社， 2013.

[3]余传东.系留气球容积测量研究[J].科技论坛.

[4]任志安，郝点，谢红杰.几种湍流模型及其在Fluent中的应用[J].化工装备技术，2009，30（2）：38-40，44.

[5]庄礼贤，尹协远，马晖扬/著.流体力学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.