王 川，王国策，毛 维，李祎涛

（1.四川省场道工程有限公司，四川 成都 610000；2.上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200011）

停驻于机坪的飞机，在遭受台风或强烈的阵风作用时，若无合理固定措施，极有可能发生移动、偏转、俯仰或滚转，从而导致飞机与地面、周边设施、周边飞机等发生刮擦、碰撞，造成巨大的损失。因此，有必要对飞机停驻状态下的稳定性进行系统研究。

目前，在运动学与动力学领域里对飞机的动态稳定研究（巡航稳定性）的成果较多，但其评价指标体系对于停驻稳定性并不完全适用，也过于复杂[1-3]。文章通过研究STAR-CCM+对飞机停驻时受到的风力荷载，研究风速和风向对飞机的风力荷载大小和规律，省去了飞机受到复杂气流影响的烦琐过程，对于飞机停驻时的稳定性的深入研究具有较强的适用性。

1 模拟方法

1.1 STAR-CCM+模拟方法介绍

STAR-CCM+是一款由CD-adapco集团推出的计算流体力学模拟集成化平台，其在FVM的基础上，将现代软件工程技术、连续介质力学数值技术结合在一起，拥有出色的性能和高度可靠性。文章数值模拟问题为飞机停驻状态下的风力荷载模拟计算问题，是一种低马赫数、高雷诺数的流体力学问题，在STAR-CCM+软件中集成了针对该类问题的多种建模以及求解方法，故文章借助该软件进行风力荷载数值模拟分析。

1.2 建立模型

设置模型飞机参数如表1所示，环境参数如表2所示。建模具体步骤及要点如下。

表1 模型飞机参数表 单位：m

表2 环境参数表

（1）根据模型飞机尺寸，设定计算域为240m×150m×60m（长×宽×高）。设置气流入口与飞机最前端之间距离为60m，以保证作用于飞机上的流场的充分发展和稳定。

（2）参考《STAR-CCM+11.0与流场计算》中的示例，设置面网格、基本体网格、边界层体网格[4]。

（3）选取涡粘方程模型进行涡流模拟计算，为提高实用性，采用标准壁面函数法进行修正。

（4）针对高雷诺数不可压缩流问题，选择更适合的Segregated flow（分离流）解法进行求解。

在初步拟定模型各项参数取值后，对模型进行试运算，通过对目标计算量的变化情况进行监测，确定目标量的收敛情况，从而拟定迭代计算的最大计算步数。

1.3 拟定研究工况

此次模拟是为了研究未经系留的飞机在停驻状态下在不同风向风力作用下的受力状态，故模拟气流为自由流。由于环境温度变化将影响气流动力黏度等动力特性，为排除干扰因素，保持模拟环境温度为常温（25℃）。根据适航标准要求，飞机主系留点及局部结构必须能承受任何方向的65节（35m/s）水平风引起的限制荷载，故此次模拟设定攻角为0°。为获取飞机受力的最不利状况，将风向水平角度从0°等幅增大至180°，增幅为15°；风速分别为15m/s、25m/s、35m/s。

1.4 模型验证

以飞机起飞离地瞬间状态为飞机的参考状态，通过理论公式与数值模拟的气动力计算结果进行对比，验证数值模型的可靠性。验证结果如表3所示。由于飞机模型精度以及湍流影响而使侧力计算值存在一定程度的偏差，但相比于升力与侧力以及飞机自重而言，可忽略不计，故认为文章所建立的数值模型可靠。

表3 模型验证结果汇总表

2 数值模拟结果

对数值模拟计算结果进行整理汇总，其中参考坐标系为机身坐标系，风向角是指风向与飞机X轴（中轴）负方向之间的夹角，以顺时针方向为正。

由于风速越大，飞机所承受的风力荷载也越大，故最不利风速即最大风速35m/s。提取最大风速对应工况的计算结果，如表4所示。此结果可作为飞机稳定性分析的基础，也可作为基本力学参数，用于进一步分析飞机在自身重力、地面摩擦力、系留装备约束的共同作用下的飞机停驻稳定性，对于飞机的停驻安全具有重要意义。

3 结论

为获得不同风向风力作用下飞机受到的荷载大小，文章基于STAR-CCM+软件对飞机及其周围流场进行流体计算模拟分析，主要研究内容与结论如下：

表4 风力荷载汇总表

（1）以STAR-CCM+软件应用为基础技术手段，确立数值模型搭建方法；

（2）通过飞机起飞瞬间状态的升力理论计算值对模型可靠性进行了验证，误差控制在5%以下；

（3）对最不利风速对应工况的计算结果进行了提取，作为飞机稳定性分析的基础。此计算结果可作为基本力学参数，用于进一步分析飞机在自身重力、地面摩擦力、系留装备约束共同作用下的飞机停驻稳定性。