基于ANSYS Workbench軟件模擬高空發電翼傘三維結構研究

袁易

摘? ?要：隨著社會的快速發展，地球上的能源被大量消耗，迫切需要開發新能源或進行技術的創新。風能作為一種可再生清潔能源一直被人們廣泛運用，但傳統的風力發電方式具有成本高、效率低等缺點。而利用高空風能進行風箏發電的新發電方式在一定程度上避免了這些缺點。文章主要通過ANSYS Workbench軟件研究了用于風箏發電的翼傘部分，對翼傘的三維結構進行了氣動性能的模擬仿真分析，為風箏發電的進一步研究提供基礎。

關鍵詞：風箏發電;翼傘三維結構;氣動性能分析

與低空風能相比，高空風能具有穩定性強、分布范圍廣、風速快、儲量豐富以及常年不斷等優點。而風箏發電正是利用了高空風能進行發電，將風箏放入高空中由控制裝置控制其按照一定的軌跡飛行，從而通過系繩牽動地面的發電機運轉，將機械能轉化成需要的電能。而本文主要研究的就是用于高空發電的翼傘部分。

翼傘按結構主要分為沖壓式翼傘和龍骨式翼傘兩種。龍骨式翼傘的外形看起來就像是兩個連在一起的等腰三角形。它可以分成兩類，即單龍骨式與雙龍骨式翼傘，可以用于飛行表演、廣告宣傳等。沖壓式翼型傘是從競技跳傘運動項目中衍生出來的，是由透氣量極低甚至不透氣的材料制作而成的，具有雙層結構的柔性翼，它分為上翼面和下翼面，前者主要承受飛行時受到的氣動力，后者主要承受開傘時受到的沖擊力，因此，下翼面小范圍的損毀并不會破壞整個翼傘的氣動性能。目前，還不能較好地處理龍骨式翼傘傘衣破損的問題[1]，因此，本研究采用了沖壓翼傘。近年來，隨著計算機技術的快速發展，數值模擬憑借其在時間和成本上的優勢逐漸得到了人們的重視，越來越多的研究人員利用計算機對翼傘進行數值模擬。MITTAL S等[2]和BALAJI R等[3]通過對有前緣切口的翼傘翼型進行數值模擬，得到了翼型在不同雷諾數下的升阻特性;HAN Y H等[4]對有氣室的三維翼傘模型和沒有氣室的三維翼傘模型作了對比研究;ALTMANN I H[5]通過數值模擬研究了翼傘的氣動特性，得到了翼傘在充氣后的外形。

1? ? 理論基礎

1.1? ANSYS Workbench

本研究采用ANSYS Workbench對翼傘三維結構進行了流體動力學的分析模擬。ANSYS Workbench作為ANSYS公司推出的多物理協同仿真環境平臺，具有與經典ANSYS（ANSYS CLASSIC）核心產品完全統一的核心技術，具有強大的三維建模能力、數據交互能力、數據管理能力以及仿真優化能力。用ANSYS Workbench對翼傘做流體分析的一般步驟為：（1）利用該軟件自帶的建模平臺對翼傘進行建模。（2）在模型的基礎上進行網格劃分操作。（3）利用WORKBENCH—CFX在（2）的基礎上進行前處理和后處理操作。（4）得出相應的云圖，對結果進行分析研究。

1.2? 翼傘結構

沖壓翼傘除了有上下兩個翼面外，還有在兩者之間的翼肋，一般翼肋上還會有一定數量的小圓孔，在翼傘飛行時，空氣主要從翼傘的前緣切口處進入翼傘內部，再通過翼肋上的小圓孔平衡整個翼傘內部的壓強，使翼傘保持一定的剛性和外形，如圖1所示。

2? ? 仿真模擬

2.1? 模型簡化

本研究在研究翼傘時，對翼傘的三維結構模型采用以下簡化假設：

（1）翼傘為剛體，不考慮其在氣動力作用下的變形。

（2）翼傘透氣量為零。

（3）忽略風箏相對于風的相對速度。

（4）來流速度為11 m/s。

（5）忽略傘繩的影響。

2.2? 建立模型

在Workbench的Geometry平臺上進行建模。由于翼傘附近的流場變化較大，為了準確地描述流動情況，需要為模型建立流場域，流場邊界條件應在實際計算允許的前提下盡可能地遠離擾動源，也就是翼傘遠一點，不能將邊界條件定得太遠，根據經驗將邊界定為離翼傘50 m遠，形成了一個立方體的流場域，基本滿足無限遠場的流場邊界條件。

2.3? 劃分網格

在建立好三維模型的基礎上，需要對其進行網格劃分，但在進行劃分網格的操作前，需要對幾何模型的固體部分進行抑制，因為對翼傘的氣動性能分析僅考慮流體部分，與模型的固體結構無關。流場模型設置如下：流體為不可壓空氣，流速為11 m/s，入口為速度入口，出口為壓力出口，非進出口為自由邊界，翼傘為壁面邊界。流場的湍流模型為k-ε二方程模型。

2.4? CFX前處理操作

網格劃分完成后，進行CFX的前處理操作。在進行前處理操作時，需要對幾何模型部分進行命名，本研究將幾何模型的幾個部分分別命名為：inlet，outlet，wall。然后通過一系列CFX后處理操作，得出翼傘的速度流線圖。

3? ? 氣動性能分析

通過CFX后處理得到了翼傘的速度流線圖，如圖2所示，可以看出，在本次仿真的情況下，空氣在翼傘上表面的速度呈先增大后減小的趨勢，并且在上表面前緣部分的速度最大，為14.3 m/s，其他部位的速度為10.83 m/s。而中間部分則表示了翼傘表面壓強的分布情況，從圖2中可以看出，從前緣到后緣，翼傘上表面壓力逐漸增加，且前緣兩側壓力較大而中間部位壓力較小，后緣兩側壓力較小，中間部位壓力先增大后減小，查閱相關資料，發現與普通翼傘的規律相符[6]。

4? ? 結語

本文主要利用了計算流體力學的方法，通過ANSYS Workbench軟件對用于風箏發電的翼傘進行了模擬仿真，從而得到了翼傘的速度流線圖，模擬了風箏發電時翼傘在上述條件下的狀態，為以后風箏發電翼傘部分的進一步研究提供了基礎。

[參考文獻]

[1]馮云明.翼傘設計及其氣動性能研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.

[2]MITTAL S，SAXENA P，SINGH A.Computation of two-dimensional flows past ram-air parachutes[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids，2001（6）：643-667.

[3]BALAJI R，MITTAL S，RAI A K.Effect of leading edge cut on the aerodynamics of ram-air parachutes[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids，2005（1）：1-17.

[4]HAN Y H，YANG C X，WANG Y W，et al.Aerodynamics simulation of a large multi-cells parafoil[C].Seattle：the 20th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference，2009.

[5]ALTMANN I H.Numerical simulation of parafoil aerodynamics and dynamic behavior[C].Seattle：the 20th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference，2009.

[6]陸偉偉，張紅英，連亮.大型翼傘的三維氣動性能分析[J].航天返回與遙感，2015（3）：1-10.

Research on simulation of three-dimensional structure of high altitude power

generation parafoil based on ANSYS Workbench

Yuan Yi

（Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， China）

Abstract：With the rapid development of society， the energy on the earth has been consumed， so it is urgent to develop new energy or technological innovation. Wind energy has been widely used as a kind of renewable clean energy， but the traditional wind power generation has the disadvantages of high cost and low efficiency. However， the new power generation method of kites using high-altitude wind energy avoids these disadvantages to some extent. In this paper， the part of the parafoil used for kite power generation is studied by ANSYS Workbench. It provides the basis for further research of kite power generation.

Key words：kite power generation; three-dimensional structure of parafoil; aerodynamic performance analysis