桑树浩，桑晓鹏，冯 宇，杨 杨

(南京航空航天大学,南京，211100)

地面效应对机翼气动特性及近地爆炸对机翼气动性能影响的研究

桑树浩，桑晓鹏，冯 宇，杨 杨

(南京航空航天大学,南京，211100)

本文采用非结构网格和标准k-epsilon（2eqn）模型，建立相应的控制方程对NACA0012机翼进行求解，得到了机翼的升力系数、升阻比随近地（海）距离变化曲线及拟合函数。采用非结构网格和标准k-epsilon（2eqn）模型和滑移网格、动边界模拟近地爆炸冲击波对近地飞行器压力的影响，得到了在该试验条件下受力随时间的变化趋势曲线。本文结果可以为研究地效飞行器近地飞行时气动性能分析及遇到爆炸等不稳定的近地（海）条件下飞行器的平稳性、安全性设计提供一些理论上的支持。

Ansys Fluent；地效飞行器；爆炸冲击波；受力曲线；湍流模型

0 引言

地效飞行器是一种介于飞机和船舶之间的大载重、大航程的高速水面运输工具。与船舶相比，地效飞行器的阻力小、速度大、燃油消耗率低，且巡航速度受海况影响较小；与飞机相比，地效飞行器的气动效率高，飞行时所消耗的推进功率小，可以具有更大的载重或航程。在未来的军用和民用上都有非常好的应用前景，它有可能带来运输行业的一次重大变革。

到目前为止,很多学者已经对不同翼型和飞行器在水平地面上方飞行的气动性能进行了大量的研究。Hsiun et al求解定常不可压缩流动的RANS方程和标准k-E湍流模型,利用数值模拟的方法研究雷诺数、飞行高度和机翼迎角对NACA4412翼型气动性能的影响;Zerihan et al在风洞中采用测力、测压和油流显示三种方法,研究三维机翼近地飞行时机翼的气动力和流场结构；屈秋林，刘沛清等人研究了地效飞行器波浪地面飞行气动性能;陈新等人采用时间推进法和边界积分法数值模拟三维机翼掠海飞行时的自由水面兴波问题。然而，地效飞行器在实际飞行过程中难免会遇到像爆炸冲击波这类的不稳定因素，因此有必要适当拓展前人的工作，研究地效飞行器在爆炸冲击波影响下的受力情况。

本文采用非结构网格和标准k-epsilon（2eqn）模型对二维机翼在近地以及有近地爆炸冲击两种情形的流场进行数值模拟，给出了两种情形下的受力分析，并分别与高空情况和高空有爆炸情况的机翼受力情况进行对比分析，得出机翼的升力系数、升阻比随着近地距离的变化成负指数形式迅速增加的结论；同时可以得出：由于地面的影响，爆炸产生的冲击作用与高空情况有明显的不同。这些数据和结论将可以为地效飞行器研究提供一个参考。

1 数值计算基本方程

1.1 流体控制方程组

二维可压缩Navier-Stokes方程组为

理想气体状态方程：

1.2 标准k-ε湍流模型

标准k-ε方程是Launder and Spalding根据经验提出的半经验湍流模型，具有适用范围广、经济、有合理的精度等优势，成为了工程流场计算中的主要工具。

ε模型方程可表示为

2 数值算例

由于地效飞行器的升力主要是由机翼产生的，而且机身产生升力的原因与机翼类似，研究方法也类似，本算例在此将此问题简化为求解机翼周围流体场，对机翼周围流体场的模拟计算采用二维模拟的方法。

本文利用Ansys Fuent软件计算近地及有爆炸冲击波影响下机翼受力这两个算例。采用二维NACA0012机翼，机翼迎角为0度，控制方程采用上述流体基本控制方程，湍流模型采用标准k-ε湍流模型。

2.1 算例1

本算例计算飞行器在距地距离分别是0.8m,1m,1.5m,2m,2.5m,3m,3.5m,4m飞行情况下机翼周围流体场以及机翼受到的压力分布。

2.1.1 边界条件和参数设置

计算区域的下边界采用固壁边界，其它三边均采用远场边界，来流速度设置为0.6ma，压强为1个标准大气压。

2.1.2 数值模拟结果

按照上述模型求解出不同近地距离时NACA0012机翼受力情况，并且用matlab拟合出升力系数表达式为，升力系数拟合曲线如图（一）；得到升阻比随距地距离的拟合函数表达式为，升阻比拟合曲线如图（二）（其中d表示距地距离）。

图（一）近地距离d—升力系数

图（二）近地距离d—升阻比B

而对应的高空情况下飞行速度同为0.6ma的高空飞行状态下对应的升力系数为193.48。与高空情况相比，近地状况下由于地面效应的影响，升力及升力系数随着距地距离成负指数形式迅速变化（即随着近地距离的变小，机翼的升力系数、升阻比迅速增加）。

2.2 算例2

本算例同样利用商用数值计算软件Ansys Fluent模拟二维情况下飞行器在近地飞行时受到爆炸冲击波影响的情形下飞行器机翼受到的压力变化情况，并且与高空情况及进行对比。

基于已有的爆炸资料及物理现象，我们做出如下假设：

1）假设炸弹爆炸对飞行器的影响只有爆炸冲击波的影响，忽略炸弹碎片等影响因素的影响。

2)假设炸弹爆炸的所有能量在一瞬间释放，不会在爆炸过程中继续释放。

3)爆炸装置在被破坏的一瞬间爆炸装置内的气体压力、温度是均匀分布的，且气体初始速度为0。

模型使用Fluent滑移网格（moving mesh）技术处理机翼与地面及爆炸中心之间的相对运动，初始爆炸区域在机翼前缘前方2.5m，机翼前缘下方4m处。

2.2.1 边界条件和参数设置

爆炸初始区域是半径为10cm的圆，爆炸中心压力为200Mpa，爆炸中心温度为2500k，相对运动速度为204m/s，计算区域下边界采用固壁边界，其它三个边界均采用远场边界条件，设置时间步长设置为0.000001s。近地情况下机翼轴线距地距离为4m，高空情况下机翼距地为40m。

2.2.2 计算结果与分析

在上述高空和低空两种情况下，机翼受到的压力在竖直方向上的分力（升力）、压力中心（相对于机翼前缘点）随时间的变化的图像分别如图（三）、图（四）所示。

图（三）升力变化图

图（四）压力中心变化图

由图（三）可以看出，在近地情况下飞行器受到近飞行器爆炸冲击波与高空情况具有相同点：1.冲击波对机翼冲击的冲击影响主要体现在第一、二次冲击波的影响，第二次冲击波产生的升力相对于第一次产生的升力峰值明显的减小，在高空情况下尤为明显。之后的冲击波产生的升力峰值迅速减小。2.机翼（飞行器）受到爆炸冲击波影响之后，机翼上的压力变化十分急剧。近地情况下前两次冲击波在机翼上造成的升力峰值都发生在0.01s之内，高空情况下也在0.02s之内。

但是，两者又有明显的不同：1.首先，近地情况下机翼受到冲击波产生的升力峰值不论是第一次还是第二次峰值都比高空情况要大，第二次峰值差距尤为明显。2.时间上，近地情况下机翼受到的第二次压力峰值比高空情况下更早。下图（五）是高空情况下再时间为0.00655s（接近近地情况第二次压力峰值的一个时刻）时机翼周围流场速度矢量图，图（六）是此时流场的温度场。由图（五）可以看出，由于地面的的阻挡作用，明显改变了该区域的流场分布，形成了上升气流，进而改变该区域的压力分布；由图（六）可以看出由于地面的影响，初始化的爆炸气体向上移动，位置对应于图（五）、图（六）中的A区域。

图（五）0.00655s时刻速度矢量图

图（六） 0.00655s时刻温度等值线图

结合图（四）、图（三）可以看出，机翼刚受到爆炸冲击波影响的时候，机翼的压力中心随着爆炸的进行急剧的变化。之后随着时间的进行，压力中心的变化趋向于缓和，也体现了爆炸冲击波对机翼的影响（破坏）主要体现在前几次受到冲击峰值的时刻。对比图（三）和图（四），第一次压力峰值出现的时刻（0.004s附近），此时图（四）中压力中心在急剧的变化，对于飞行器而言，压力中心的急剧变化意味着飞行器会随着受力分布的急剧改变而剧烈抖动，给飞行器的平稳性带来很大影响，需要飞行器设计工作者进一步改进飞行器结构及操纵系统，以比较好的应对这一干扰因素。

3 总结

本文用Ansys Fluent模拟了1.在一定速度（0.6ma）下NACA0012机翼受力情况，并且画出了升力系数、升阻比随近地距离的变化曲线，拟合得到升力系数函数为d表示距地距离）。显然升力系数、升阻比随近地距离成负指数形式随着近地距离的变小而迅速变大。2.近地条件、有近飞行器爆炸冲击波时机翼的受力随时间变化曲线，得到冲击波对机翼冲击的冲击影响主要体现在第一、二次冲击波的影响，而且近地情况下前两次冲击波在机翼上造成的升力峰值都发生在0.01s之内，在这段时间内压力中心相对于机翼前缘的位置急剧的变化。这些结果可以为研究地效飞行器的研究人员在研究地效飞行器近地飞行时遇到爆炸等不稳定的近地（海）条件的时候飞行器的平稳性、安全性设计提供一些理论上的基支持。

[1] Hsiun CM,Chen CK.Aerodynamiccharacteristics of a two-dimensional airfoilwith ground effect[J]. Journal of Aircraft,1996,32(2):386-392.

[2] Zerihan J,Zhang X.Aerodynamics of a single element wing in ground effect[J].Journal of Aircraft, 2000,37(6):1058-1064.

[3] 屈秋林，刘沛清，亲绪国，地效飞行器波浪地面飞行气动性能的数值研究[J].航空学报，2007,28（6）.

[4] 陈新,单雪雄.三维机翼掠海飞行时非定常气动力和兴波的数值计算[C]M庄逢甘. 2003空气动力学前沿研究论文集.北京:中国宇航出版社, 2003: 132-137.

[5] 王勋，陶志雄，张其林，陈俊，自由大气中爆炸冲击波数值模拟方法研究，第十一届现代结构工程学术研讨会。

[6] 李盾,纪楚群,马汉东.三维非结构粘性直角网格的N-S方程数值模拟[R].北京:航天空气动力技术研究院,2004.

[7] 桑树浩，桑晓鹏，地效飞行期周围流体场数值模拟[J]，价值工程，2013.

[8] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京： 清华大学出版社，2004:11.作者简介

桑树浩，男，1992年8月生，河南林州人，汉族，南京航空航天大学理学院，在读本科生，研究方向为力学。

桑晓鹏，男，1990年5月生，河南林州人，汉族，南京航空航天大学经济与管理学院，硕士研究生，研究方向为工程经济学。

冯宇，男，1993年8月生，江苏徐州人，汉族，南京航空航天大学理学院，在读本科生，研究方向为信息与计算科学。

杨杨，男，1989年1月生，安徽淮南人，汉族，南京航空航天大学理学院，在读本科生，研究方向为信息与计算科学。

本论文得到指导老师王春武教授的大力支持。

Research on the aerodynamic characteristics of the wing in ground effect and impact on the wing exploded near the aerodynamic performance of the

Sang Shuhao，Sang Xiaopeng，Feng Yu，Yang Yang
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing，211100)

In this paper,unstructured grids and standard k-epsilon(2eqn) model,to establish the appropriate equations to solve for NACA0012 wing, got the lift coefficient of the wing,the lift-drag ratio with(sea) from the curve of the near-Earth and the fitting function.Unstructured grids and standard k-epsilon(2eqn) model and the sliding mesh,dynamic simulation of near-Earth boundary blast pressure effects on near-Earth spacecraft,has been in force under the test conditions change with time trend curves.Our results may be flying under the aerodynamic performance analysis and experiencing explosions near the unstable ground(sea) condition of the aircraft stability,security,designed to provide some theoretical support for the study of near-Earth ground effect vehicles.

Ansys Fluent;ground effect vehicles;blast;force curve;turbulence model

南京航空航天大学2013年度创新训练计划项目国家级项目，项目编号（201310287050）