< br/>通信作者:linxianw@xmu.edu.cn < br/>
(School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
airship aerodynamics; relative motion principle; Fourier analysis; axial added mass coefficient
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201809029
备注
< br/>通信作者:linxianw@xmu.edu.cn < br/>
为了估算有黏流情况下飞艇的轴向附加质量系数,采用计算流体动力学(CFD)技术计算了有黏流情况下椭球体在时变来流速度下的气动力随时间变化曲线,然后通过傅里叶分析法辨识得到了椭球体的非定常气动力系数,最后将与加速度相关的气动力系数折算成轴向附加质量系数.通过研究相同空速下,来流速度对气动力的影响,将运动体在静止来流中运动的气动力计算问题转化为相同空速下运动体静止而来流时变的气动力计算问题.这种转化避免了在CFD计算中使用动网格技术.数值计算的结果表明:在一定的条件下,有黏流场中也可以定义轴向附加质量的概念; 但有黏流的轴向附加质量和无黏流中的结果有较大的差异.
To estimate the axial added mass(AAM)coefficient of the airship in viscous flow,we have computed the aerodynamic force of an ellipsoid suffered in a uniform but unsteady incoming flow based on CFD technology.The Fourier analysis method is then adopted to identify the unsteady aerodynamic force coefficient.At last,the acceleration-related aerodynamic coefficient is converted to AAM coefficient.By studying the effect of the incoming flow velocity on the aerodynamic force under the same airspeed,this computational problem of a solid moving in the fluid that rests at infinity is transformed into the case where the solid is stationary while the velocity of the incoming flow is time-varying.This transformation avoids adopting the dynamic mesh technology in CFD simulation.Numerical results show that,under certain conditions,the concept of AAM can also be defined in the viscous flow field.However,the AAM in viscous flows deviates from the corresponding result in potential flows distinctly.
引言
和传统飞行器类似,飞艇的气动力计算是研究飞艇技术的重要基础.为了使飞行器的飞行力学模型封闭,往往需要将飞行器的气动力和力矩与其当前运动参数关联起来.对于有黏流场而言,这种关联性往往采用气动系数的概念,如阻力系数将飞行器的阻力与飞行器的当前速度关联起来,速度越大,阻力也就越大; 对于无黏流场而言,这种关联性往往采用附加质量或惯量的概念,如轴向附加质量将飞行器的阻力与飞行器的当前加速度关联起来,加速度越大,阻力也就越大.对于飞机等平均密度远大于飞行介质的飞行器,轴向附加质量与飞行器的物理质量相比很小,一般认为可忽略不计而不予以研究.对于飞艇这类平均密度与飞行介质接近的飞行器,则一般认为轴向附加质量的影响不可忽视[1].
在无黏流假设下,用于表征运动体气动力和力矩的附加质量系数和惯量系数的算法早已发展得相当成熟[2-4].然而,有黏流情况下的运动体的气动力和力矩与无黏流中的对应结果有较大的不同,例如无黏流中匀速直线运动的物体阻力为零,而有黏流中的对应结果则不为零并且是评价飞行器性能的一个重要指标; 因此,人们希望发展有黏流情况下用于表征运动体气动力和力矩的气动参数.就目前来看,与运动体速度相关的气动力和力矩一般采用阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数等概念来表述; 与角速度相关的气动力和力矩系数一般采用阻尼力或阻尼力矩系数的概念来表述; 与迎角变化率,或者说与法向加速度相关的气动力或力矩,一般采用下洗延迟力或力矩系数的概念来描述(又称洗流时差力或力矩系数)[5].然而,对于角加速度或轴向加速度引起的气动力或力矩,目前仍然采用无黏流中的结果.
对于阻尼力和力矩系数,一般采用文献[6]中所介绍的附加攻角法来估算; 对于下洗延迟力或力矩系数,一般采用方振平等[5]所介绍的工程方法来估算.这些工程估算方法的机理和结果的合理性尚未得到充分的论述和验证,因此人们期待着更合理的算法.2012年,Wang[7]采用计算流体动力学(CFD)技术与傅里叶分析相结合的方法分析了有黏流情况下与法向加速度有关的气动力系数和俯仰阻尼力与力矩系数.这个研究不仅可以提高这些气动系数的估算精度,而且为其他非定常气动系数的计算提供了思路.本研究将这种方法用于有黏流情况下轴向附加质量系数的估算,以弥补目前仍采用无黏流结果的不足.
Wang[7]在流场的CFD模拟时将来流设为恒定值,而运动体以一定的方式运动.这种模拟方法需要使用动网格技术,实际应用起来有一定的难度.在本文研究中,根据相对运动原理,将运动体在远场静止流体中运动的气动力求解转换为运动体静止而来流以一定速度吹过来场景中气动力的求解问题,从而避免采用动网格技术.相对运动原理早在达朗伯时代(1717—1783年)就早已被人们所熟知和接受[8].2000年,Thomasson[9]在无黏流假设下对这个问题进行探讨,其研究结果表明,相对运动原理仅仅在运动体速度是匀速的情况下才成立,若运动体的速度不是匀速的,相对运动原理不再成立,并且进一步指出,在运动体直线加速运动的情况下,这两种气动力的差别为运动体所占领的空间区域所对应的流体质量与运动体的加速度的积,即运动体的附加质量系数相差1.这个结果后来也逐渐被其他的学者所接受[10].本研究将进一步证明,在有黏流的情况下,这种转换关系仍然存在,从而为有黏流场轴向气动力系数的计算提供理论便利.
1 有黏流中的相对运动原理
相对运动原理是风洞技术的基础,它表明空速相同情况下运动体的气动力是相同的.虽然这种原理在18世纪前就被人们所认识,但其合理性和适用条件很少被详细讨论过.2000年,Thomasson[9]发现,在无黏流的情况下,相对原理仅在运动体做匀速直线运动的情况下成立; 当运动体以一定的加速度在来流静止的流体中运动时,其气动力与运动体静止而来流以相反速度吹过来情况下所对应的气动力并不相同.这一节将基于Wu[11]的涡动力学理论,将Thomasson的结果推广到有黏流的情况.
设有一运动体在来流速度为v∞的无限大流场中运动,运动体所占领的流场空间区域记为Rb,其边界记为Sb; 在流场中取一个位置固定的封闭曲面,记为Se,使其包含Rb以及部分流体所占的流场空间区域,记为Rf.针对Rf应用积分形式的流场动量定理可得[12]∫Rfρ(dv)/(dt)dR=Fb+Fe,(1)其中:Fb表示运动体对Rf中流体的作用力合力,它等于流体对运动体作用力Fa的反作用力,即Fb=-Fa; Fe表示Rf外部流体通过边界Se对Rf中流体的作用力合力,根据流体的本构方程,这个应力为[11]Fe=∫Se(ρ ν ωxn-pn)dS,(2)
其中:n表示边界Se的外法线方向; p为流场在边界Se上的正压力.当L趋于无穷大时Fe中与黏性有关的项消失,即涡ω=0.根据导数矩转换(DMT)公式[13]和流场动量定理的微分形式ρ(dv)/(dt)=-▽p+ρ ν▽2v [11]并考虑到Se处于无黏流中可得(dv)/(dt)=(-▽p)/ρ,式(2)可改写为Fe=-∫SepndS=1/2∫Serx(nx▽p)dS=-ρ/2∫Serx(nx(dv)/(dt))dS.(3)这样,根据式(1)流体动力Fa可表示为Fa=-∫Rfρ(dv)/(dt)dR-ρ/2∫Serx(nx(dv)/(dt))dS,(4)式中v表示流场相对惯性坐标系的速度.设vr=v-v∞,则气动力表达式又可写为{Fa=Fr+F∞,Fr=-∫Rfρ(dvr)/(dt)dR-ρ/2∫Serx(nx(dvr)/(dt))dS,F∞=-∫Rfρ(dv∞)/(dt)dR-ρ/2∫Serx(nx(dv∞)/(dt))dS.(5)由式(4)可知,Fr刚好是流场速度分布为vr时运动体所受的气动力.对于一个外流场vr,若其在远场的速度等于零,满足运动学方程{▽·vr=0,▽xvr=ω,(6)且涡ω集中在Rb附近,Wu[11]已证明,这种情况下运动体的气动力又可表示为Fr=-ρ/2(d)/(dt)∫Rf∪RbrxωdR+ρ(d)/(dt)∫RbvrdR.(7)现在讨论F∞,根据导数矩转换(DMT)公式∫Rf(dv∞)/(dt)dR=1/2∫Rfrx(▽x(dv∞)/(dt))dR+1/2∫Sbrx(nx(dv∞)/(dt))dS-1/2∫Serx(nx(dv∞)/(dt))dS,(8)其中:Sb上积分的被积函数中的n表示物面法向方向,指向流场为正; Se上积分的被积函数中的n指向流场外部为正.因为▽x(dv∞)/(dt)=▽x((?v∞)/(?t)+(v·▽)v∞)=0,则F∞=ρ/2∫Sbrx(nx(dv∞)/(dt))dS.(9)再次利用DMT 公式F∞=ρ/2∫Sbrx(nx(dv∞)/(dt))dS=∫Rbρ(dv∞)/(dt)dR-1/2∫Rbrx(▽x(dv∞)/(dt))dR=∫Rbρ(dv∞)/(dt)dR.(10)根据时变系统的输运方程可知[12]F∞=∫Rbρ(dv∞)/(dt)dR+∫Sbρv∞(vs-v)·ndS=(d)/(dt)∫Rbρv∞dR,(11)其中:vs表示物面Sb的运动速度; v表示Sb上流体的运动速度.根据无渗透边界条件(vs-v)·n=0,这是第二个等号成立的原因.这样有风情况下的流体动力为F=Fr+F∞=-ρ/2(d)/(dt)∫Rf∪RbrxωdR+ρ(d)/(dt)∫RbvdR.(12)
式(11)与Wu[11]所推导的无风情况下的气动力表达式(7)在形式上完全一致,因此Wu[11]所推导的公式也适用于来流速度不为零的情况.式(11)表明:当流场涡量分布相同时,在来流静止运动体运动和运动静止来流以相反速度吹过来这两种情况下,气动力相差ρ(d)/(dt)∫RbvdR=mba,其中a为运动体的加速度,mb为运动体所占领的空间区域所对应的流体质量.这样有风情况下运动体的附加质量系数为K,无风情况下运动体的附加质量系数K1,则K1=K+1.
上面的研究结果表明,在流体有黏性且运动体加速运动的情况下,相对运动原理与无黏流中的结果类似.即空速相同时,来流静止情况下运动体所对应的气动力等于运动体静止情况下运动体所对应的气动力加上运动体所占领空间所包含的流体质量与运动体的加速度的积.这样就可以将有黏流场中相同空速下,来流静止、飞艇运动的模型转化为来流运动、飞艇静止的模型来研究有黏流场中飞艇的非定常气动力特性.这种方法可以避免在CFD软件模拟中使用动网格,降低数值模拟过程的复杂性.同时此结论解释了风洞实验技术的合理性且符合Thomasson针对无黏流的研究结果[9-10].
2 轴向气动力附加质量辨识方法
用于辨识气动力与运动体当前速度关联性的傅里叶分析法在文献[7]中有详细介绍.然而文献[7]中所介绍的方法是假设气动力与运动体当前速度线性相关,这种假设是否适合轴向附加质量系数的辨识需要进一步探讨.采用过于简单的线性模型,将使得辨识结果存在较大的误差; 采用过于复杂的模型,辨识参数增多,将使得辨识过程中需要大量计算不同条件下的CFD仿真数据,增加了辨识的难度.因此这一节先研究傅里叶分析法的辨识模型.这里以长细比为5:1的旋成椭球体的外流场网格为例,其长半轴为0.5 m,短半轴为0.1 m,边界层网格和整体网格分别如图1,2所示:
将椭球体放入一个来流速度以余弦规律v=v0+Acos(ω t)变化的流场中,其中v0=15 m/s为来流的平均速度,A=1为来流速度的幅值,ω=0.6 rad/s为来流速度的角速度,时间周期为T=(2π)/ω=10.472 s.流体密度ρ=0.046 3 kg/m3,动力黏性系数μ=1.443 5x10-5 kg/(m·s).本文中用CFD计算湍流的k-e模型计算旋成椭球体的气动力,其中最小时间步长为Δt=0.002 s,时长为t=12 s.设F为旋转椭球体所受到的气动力,对F进行傅里叶级数展开并取不同的展开项可得如下两种形式:F1=a1+a2sin(ω t)+a3cos(ω t),(13)F2=a1+a2sin(ω t)+a3cos(ω t)+a4cos(2ω t).(14)图3为分别用函数F1、函数F2拟合CFD模拟得到的曲线与原数据曲线的对比图,结果表明F2的展开形式具有更高的精度,因此认为F2的展开形式更合理,即气动力中含有cos(2ω t)的相关项,这和文献[7]中的处理方法是不同的,在文献[7]中,气动力的展开式中仅包含傅里叶级数展开的一次谐波项. 为了将气动力系数与运动体当前的运动参数关联,将F视为速度的变化量Δv,加速度a和加速度的一阶时间导数(da)/(dt)的函数.这样可对F进行泰勒级数展开,由于函数F2存在cos(2ω t)项,所以对F保留一阶、二阶项,即:F=k0+k1a+k2(da)/(dt)+k3Δv+k4aΔv+k5(da)/(dt)Δv+k6a(da)/(dt)+k7a2+k8((da)/(dt))2+k9(Δv)2.(15)将v=v0+Acos(ω t),Δv=Acos(ω t),a=-Aωsin(ω t),(da)/(dt)=-Aω2cos(ω t)代入方程(15),整理可得:F=k0+(k7A2ω2+k8A2ω4+k9A2-k5A2ω2)/2-k1Aωsin(ω t)+(k3A-k2Aω2)cos(ω t)+(-k4A2ω+k6A2ω3)/2sin(2ω t)+(-k5A2ω2-k7A2ω2+k8A2ω4+k9A2)/2cos(2ω t).(16)在3组不同的ω下计算F2,可以得到3组a1,a2,a3,a4.然后令函数F2与气动力的泰勒级数展开式即方程(16)的各项系数相同,用最小二乘法可求得k0,k1,k2,k3,…,k9.其中k0,k3对应的项对气动力F的贡献最大,图4为除去k0,k3对应的项后,k1,k2,k4,…,k9对应的项对气动力F的贡献.图4 k1,k2,k4,…,k9对应的项对气动力的贡献
Fig.4 Influence of k1,k2,k4,…,k9's corresponding items on aerodynamic forces3 有黏流场中椭球体的轴向附加质量系数特性分析
上一节所研究的辨识方法可以用于辨识有黏流场中飞艇的轴向附加质量系数.根据应用需要,这里将飞艇近似为椭球体,流场参数取其驻空期间对应的大气参数和飞行参数.为了使结果具有实用性,这里分析了在有黏流场中,无风情况下,不同运动体速度、不同加速特性和不同长细比对椭球体轴向附加质量系数的影响.具体的流体计算参数取高度24 km处的标准大气值,密度ρ=0.046 3 kg/m3,动力黏性系数μ=1.443 5x10-5 kg/(m·s)的平流层.旋转椭球体长细比分别为4:1,5:1,6:1,将运动体速度设置为v=-v0-Acos ωt,其中v0=15 m/s,A=1,ω分别为0.3,0.6,0.8 rad/s.在不同ω下对椭球体的轴向附加质量系数K1进行计算,结果如表1所示.由表1可以看出运动体速度的ω对椭球体的轴向附加质量系数K1影响并不大,因此忽略其对轴向附加质量的影响.
表1 无风情况下有黏流运动体速度的ω对椭球体K1的影响
Tab.1 Influence of ω of moving body velocity on the axial added mass coefficient of ellipsoidal axial K1 in a viscous flow and non-wind对长细比为5:1的旋转椭球体,将运动体速度设置为v=-v0-Acos(ω t),其中v0=15 m/s,ω=0.6 rad/s,A分别为0.50,0.75,1.0.利用CFD技术可以得到F与时间t的曲线.在不同运动体摄动速度的A下对椭球体的K1进行计算,结果如表2所示.由表2可以看出运动体摄动速度的幅值A对椭球体的轴向附加质量系数K1的影响也不显著.
表2 无风情况下有黏流运动体摄动速度的幅值A对椭球体K1的影响
Tab.2 Influence of the amplitude A of the moving body'sperturbation velocity on the axial added mass coefficient of the ellipsoid K1 in a viscous flow and non-wind在长细比分别为4:1,5:1,6:1的旋转椭球体,将运动体速度设置为v=-v0-Acos(ω t),其中ω=0.6 rad/s,A=1,v0分别为5,15,15 m/s.利用CFD技术可以得到F与时间t的曲线.在不同运动体平均速度v0下对椭球体的轴向附加质量系数K1进行计算,结果如表3所示.由表3可以看出运动体平均速度v0和长细比对椭球体的轴向附加质量系数K1的影响较大.也就是说:在有黏流情况下,运动体在做轴向加速运动时,运动体平均速度是运动体轴向附加质量的敏感参数.
表3 无风情况下有黏流的运动体平均速度v0和长细比对椭球体K1的影响
Tab.3 Influence of average velocity v0 and slenderness ratioof moving body on the axial added mass coefficient of ellipsoidal axial K1 in a viscous flow and non-wind分析可能的原因是:在无黏流的情况下,运动体在运动时,滑移边界条件相当于在运动体表面存在一层涡.由于流场没有黏性,运动体表面的涡没有扩散到流场中.根据广义的Biot-Savart定理[11]可以证明滑移边界对应的涡量矩与运动体加速度是线性关系.在有黏流的情况下,由于无滑移和无渗透边界条件,使得运动体在运动时,在运动体表面产生涡.由于流场有黏性,运动体表面产生的涡通过对流、扩散作用,扩散到流场中形成尾涡,且在不断变化.进而使尾涡所对应的涡量矩也在不断变化,根据涡量矩定理这样就会存在与无黏流情况不同的气动力.当运动体以不同速度运动时,运动体运动产生的尾涡强度也不相同,涡量矩变化率也不相同,从而使得运动体受到的气动力也不相同.因此可知在无黏流场中,运动体的轴向附加质量只与运动体的加速度有关; 而在有黏流场中,运动体的轴向附加质量不仅仅与运动体的加速度有关,也与运动体的速度有关.
以上列出的是在无风情况下有黏流椭球体的轴向附加质量系数K1,根据公式K=K1-1即可得到有风情况下有黏流椭球体的轴向附加质量系数K.
最近,林新武等[14]基于涡动力学理论提出了同时能兼容有黏流和无黏流的气动力表达式,然后结合面元法建立无黏流场的数值计算理论,得到的结果与理论值非常吻合,从而验证了CFD解的合理性.所以,本文中只列出了无风情况下无黏流椭球体轴向附加质量系数的理论值.表4列出无风情况下无黏流椭球体轴向附加质量系数[1].对比表3和表4可以看出:有黏流场与无黏流场的椭球体的K1相差很大,这与文献[7]中的研究结果是有区别的.文献[7]中研究了有黏流中与无黏流中的椭球体的法向附加质量系数,对应结果非常接近.文献[7]并没有研究有黏流中椭球体的K1,本文中研究表明,有黏流中和无黏流中的结果有着较大的差异.分析可能的原因为:1)轴向气动特性和法向气动特性是不同的.正如稳态气动力,在小攻角的情况下,无黏流中的翼型升力和有黏流中的结果是接近相等,但无黏流中翼型阻力为零,而有黏流中翼型阻力并不为零.2)在文献[7]中的数值模拟中,运动体只存在较小的法向速度和加速度,而不存在恒定的法向匀速直线运动分量,因此不会在法向脱出大的尾涡,其流场和无黏流的情况比较接近,所以其结果也会和无黏流结果相似.对于轴向运动而言,除了摄动速度和加速度外,还存在恒定的匀速分量.这种匀速分量将在运动体后面脱出很长的尾涡,导致其流场与无黏流的情况有很大的不同.这种尾涡随着运动体的位置变化,所对应的涡量矩也会发生变化.根据涡动力学理论,这些尾涡也会产生一部分气动力,这就导致有黏流情况下运动体的气动力,以及相应的附加质量也与无黏流的情况不同.
4 结 论
基于涡动力学理论研究了相同空速下来流速度对运动体气动力的影响.结果表明,若来流速度是定常的,则运动体的气动力仅取决于空速,这也是风洞测量气动力的原理; 如果来流速度是时变的,则相同空速下运动体的气动力也会不同,但可互相转换.基于后面这个结果可以将运动体在远场静止的有黏流体中运动的情况转换为运动体静止而来流时变的情况,从而证明了用风洞试验方法研究黏性空气动力系数的合理性.在用软件CFD研究飞艇的气动力特性时避免了动网格问题,大幅度降低了气动力模型的复杂程度.本文中通过CFD技术与傅里叶分析法相结合的办法研究了在有黏流场中椭球体的轴向附加质量系数算法.结果表明,有黏流场椭球体的轴向附加质量系数不但跟雷诺数、椭球体的外形有关,也跟表征飞艇加速特性的运动体速度变化周期有关.但是由于表征飞艇加速特性的运动体速度变化周期对椭球体轴向附加质量系数影响较小,可暂不考虑其影响.在无风情况下经过有黏流中椭球体轴向附加质量系数与无黏流中椭球体轴向附加质量系数对比可以看出,二者有较大的差别,在工程计算中应当采用有黏流中椭球体轴向附加质量系数以获得更精确的飞行参数.
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