基于大涡模拟的平流层浮空器气动特性分析

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1、2015年4月第41卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2015Voll41No．4http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0535基于大涡模拟的平流层浮空器气动特性分析王裕夫，陶国权+，刘东旭，武哲(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：为研究不同球体间距对“球形囊体型”平流层浮空器(SLV)气动特性的影响，采用有限体格式、结构网

2、格和大涡模拟(LES)计算方法求解不可压缩的Navier-Stokes(N—S)方程，对超临界雷诺数“球形囊体型”平流层浮空器绕流进行数值模拟，并对不同球体间距下的数值计算结果进行详细的分析比较．通过对比试验数据，单球体数值模拟的阻力系数时均值与Achenbach的试验数据一致，验证了计算方法分析超临界雷诺数球体绕流问题的准确性．研究不同间距的双球体阻力变化规律以及振动频谱特性，随上下游球体间距G的增加，合阻力先增大后减小，上游球体的阻力占优振动频率逐渐减小；G=1．5D(D为球体直径)和G=2D时，上下游球体有相同的占优振动频率．随间距G的增加，两球体相互作用与上

3、游球体对下游球体的尾涡结构影响逐渐减弱．关键词：平流层浮空器；大涡模拟；球体绕流；阻力系数；频谱特征中图分类号：0357．1文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)04-0616-08近年来，平流层浮空器(SLV，StratosphereLighter-than—airVehicle)受到很大的重视，世界各主要国家均开展了相关的研究与试验．平流层浮空器具有定点驻留、超长航时、视野范围广、生存能力强的特点，具有重要的民用和军用价值⋯．平流层浮空器主要有“艇型”和“球形囊体型”两大类．“艇型”平流层浮空器具有气动阻力小的优点，但受限于目前的超压蒙皮材料技术

4、，未来一段时间内“艇型”平流层浮空器在解决平流层的昼夜温差问题还有一定难度口1．“球形囊体型”平流层浮空器是近期内在平流层长时驻空一种有效的途径．“球形囊体型”相比“艇型”平流层浮空器存在阻力大、气动力波动幅度大等不足．因此，研究“球形囊体型”平流层浮空器的气动特性并且通过合理设计减阻对其总体设计具有重要意义．对于球体绕流问题，当雷诺数增加到某一值，球体表面边界层由层流变成湍流，推迟了边界层分离，压差阻力减少，阻力系数急剧下降，这种现象称为“失阻”，对应的雷诺数称为临界雷诺数．由于“球形囊体型”平流层浮空器尺度大，对应的雷诺数就会很大，气动模型简化为超临界雷诺数范围

5、的多球体绕流问题．在超临界雷诺数范围时，球体尾流中的流动为湍流状态，流场具有复杂结构，呈明显的非定常性．国外，Sakamoto和Haniu系统地总结了前人的研究成果，并且通过流场显示试验和热线试验，测量了球体在很广的雷诺数范围内的斯特劳哈尔数St¨1．Constantinescu和Squires在总结前人研究成果的基础上，给出了球体的阻力系数随雷诺收稿日期：2014．08-30；录用日期：2014．10—10；网络出版时间：2014—11-2509：13网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／lO．13700／j．bh．1001_5965．2014

6、．0535．html基金项目：北航蓝天新秀基金资助项目(YwF．13．T．RSC-071)作者简介：王裕夫(1988一)，男，四川成都人，博士生，justin—psp@163．com+通讯作者：陶国权(1983一)，男，浙江绍兴人．讲师，ac97531@163．corn，主要研究方向为飞行器总体设计，复合材料结构设计，无人机研制，螺旋桨优化设计．；f用格式：王裕夫，胸目权，刘东旭，等．基于大涡模拟的乎流层浮空器气动特性分析口J．北京航空航天大学学报，2015，41一)：616．623．WangYF，TaoGQ，LiuDX，et81．Ana如sjsofstratosp

7、hericJ动ter—than-airvehicle’saerodynamiccharacteristicshasedonlargeeddysimulation【j]．Journal0IBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015．41(4)：616．623(inChinese)．第4期王裕夫，等：基于大涡模拟的平流层浮空器气动特性分析617数的变化情况，并对临界雷诺数时球体的绕流进行了分析，绘制了典型条件下球体的绕流图画H1．Rodriguez等通过直接数值模拟方法研究了雷诺数为3700和10000时的球