王昆侖

摘要 對大型飛艇抗側(cè)風(fēng)出庫過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了在側(cè)風(fēng)條件下地面效應(yīng)使飛艇產(chǎn)生升力的結(jié)論，并通過對俯仰和偏航力矩的計(jì)算，對飛艇的出庫安全性進(jìn)行了分析 。

關(guān)鍵詞 數(shù)值模擬;地面效應(yīng);出庫安全性

前言

大型飛艇在出庫過程中，一般采用牽引車牽引出庫的方式，當(dāng)受側(cè)風(fēng)影響時可能會產(chǎn)生繞牽引點(diǎn)的俯仰和偏航力矩，引起飛艇的姿態(tài)變化，導(dǎo)致飛艇擦碰艇庫的危險情況，因此，分析大型飛艇的出庫安全性是非常有必要的。

1 幾何模型

搭建艇庫模型，如圖1所示，艇庫為圓頂結(jié)構(gòu)，長70米，寬24米，高22米，庫壁厚度設(shè)為0.1米。飛艇長度50米，包括囊體、吊艙和尾翼，飛艇距離地面高度1.2米。飛艇凈重為280kg。

2 數(shù)值計(jì)算

采用六面體非結(jié)構(gòu)笛卡爾網(wǎng)格生成計(jì)算域流場，流動敏感區(qū)域進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量在1500萬左右， Y+值在1附近。計(jì)算湍流模型采用k-ω sst，算法采用SIMPLEC算法，壓力、動量和湍流黏度項(xiàng)選用二階迎風(fēng)格式。

為提高計(jì)算效率，簡化掉牽引車和起落架。來流風(fēng)速5m/s，側(cè)滑角90°，攻角為0。初始位置為飛艇浮心與艇庫大門平齊，此時出庫距離為18.8米，然后以1/4艇長即12.5米為間隔，依次增加飛艇出庫距離直至93.8米。

飛艇的力矩參考點(diǎn)為飛艇頭部前緣點(diǎn)，即牽引車的牽引點(diǎn)。

3 ?計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地面效應(yīng)

囊體是旋成體，在空中狀態(tài)90°側(cè)風(fēng)下，其流動狀態(tài)類似圓柱繞流，升力為在0附近波動的一小量值，這里取0方便對比;在地面效應(yīng)作用下（見圖2），飛艇上表面氣流加速高于下表面，下表面壓力大;再者，吊艙對側(cè)風(fēng)的阻滯使得飛艇下表面后體部分流速低，負(fù)壓區(qū)域比上表面小。體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上，見表1，囊體在地效作用下產(chǎn)生了很大的升力;加裝吊艙以后，地面效應(yīng)顯著增強(qiáng)，升力大幅度增加;，加裝尾翼后，升力進(jìn)一步增加。

3.2 飛艇出庫過程中的安全性分析

繞過艇庫的氣流在艇庫門前區(qū)域有明顯的加速效果，即此區(qū)域?yàn)閺?qiáng)風(fēng)區(qū)，風(fēng)速增加幅度在30%—50%左右，飛艇出庫距離在68.8米開始離開強(qiáng)風(fēng)區(qū)，到81.3時已基本不再受強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響。

由圖3氣動特性曲線可以看出，出庫距離對氣動特性有顯著影響。隨著出庫距離增加，升力逐漸增大，出庫距離在56米以后，即升力達(dá)到最大值，然后逐漸減小并趨于一個穩(wěn)定值。俯仰力矩的變化規(guī)律與升力一致。從量值上考慮，在持續(xù)5米側(cè)風(fēng)的作用下，飛艇未完全出庫前的俯仰力矩（艇身繞頭部牽引點(diǎn)的上仰力矩）最大可達(dá)到80000N·m量級，考慮到飛艇凈重約280公斤，則需在尾部配平60公斤左右的鉛錘力保證艇體水平姿態(tài)。側(cè)力大小主要受迎風(fēng)面大小影響，隨著出庫距離增加，側(cè)力逐漸增大;同時，隨著出庫距的變化，艇身與艇庫的耦合影響使得庫口強(qiáng)風(fēng)區(qū)的速度有變化，在出庫距離56米左右，強(qiáng)風(fēng)區(qū)速度最大，側(cè)力達(dá)到最大值，然后逐漸減小并趨于一個穩(wěn)定值。偏航力矩的變化規(guī)律與側(cè)力一致，從量值上考慮，在持續(xù)5米風(fēng)作用下，飛艇未完全出庫前的偏航力矩最大可達(dá)到130000N·m量級，需在尾部配平260公斤左右的水平拉力以保證艇體的姿態(tài)。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，有側(cè)風(fēng)情況下，飛艇在完全出庫前，即在飛艇尾部靠近艇庫前強(qiáng)風(fēng)區(qū)時，氣動力逐漸接近最大值，此時飛艇的姿態(tài)變化會加劇，需要給予俯仰和偏航方向的配平力來保證姿態(tài)，避免與艇庫發(fā)生碰撞，保證出庫安全性。

4 結(jié)語

通過計(jì)算分析，表明飛艇在有側(cè)風(fēng)的出庫過程中會產(chǎn)生繞牽引點(diǎn)的俯仰和偏航力矩，力矩隨出庫距離逐漸增大，需要在艇體尾部和兩側(cè)給予配平力來保證姿態(tài)，本文對保證飛艇出庫安全性提供了一種思路。

參考文獻(xiàn)

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