基于STAR-CCM+的飛機停駐風力荷載模擬分析

王 川，王國策，毛 維，李祎濤

（1.四川省場道工程有限公司，四川 成都 610000；2.上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200011）

停駐于機坪的飛機，在遭受臺風或強烈的陣風作用時，若無合理固定措施，極有可能發(fā)生移動、偏轉(zhuǎn)、俯仰或滾轉(zhuǎn)，從而導致飛機與地面、周邊設施、周邊飛機等發(fā)生刮擦、碰撞，造成巨大的損失。因此，有必要對飛機停駐狀態(tài)下的穩(wěn)定性進行系統(tǒng)研究。

目前，在運動學與動力學領域里對飛機的動態(tài)穩(wěn)定研究（巡航穩(wěn)定性）的成果較多，但其評價指標體系對于停駐穩(wěn)定性并不完全適用，也過于復雜[1-3]。文章通過研究STAR-CCM+對飛機停駐時受到的風力荷載，研究風速和風向?qū)︼w機的風力荷載大小和規(guī)律，省去了飛機受到復雜氣流影響的煩瑣過程，對于飛機停駐時的穩(wěn)定性的深入研究具有較強的適用性。

1 模擬方法

1.1 STAR-CCM+模擬方法介紹

STAR-CCM+是一款由CD-adapco集團推出的計算流體力學模擬集成化平臺，其在FVM的基礎上，將現(xiàn)代軟件工程技術(shù)、連續(xù)介質(zhì)力學數(shù)值技術(shù)結(jié)合在一起，擁有出色的性能和高度可靠性。文章數(shù)值模擬問題為飛機停駐狀態(tài)下的風力荷載模擬計算問題，是一種低馬赫數(shù)、高雷諾數(shù)的流體力學問題，在STAR-CCM+軟件中集成了針對該類問題的多種建模以及求解方法，故文章借助該軟件進行風力荷載數(shù)值模擬分析。

1.2 建立模型

設置模型飛機參數(shù)如表1所示，環(huán)境參數(shù)如表2所示。建模具體步驟及要點如下。

表1 模型飛機參數(shù)表 單位：m

表2 環(huán)境參數(shù)表

（1）根據(jù)模型飛機尺寸，設定計算域為240m×150m×60m（長×寬×高）。設置氣流入口與飛機最前端之間距離為60m，以保證作用于飛機上的流場的充分發(fā)展和穩(wěn)定。

（2）參考《STAR-CCM+11.0與流場計算》中的示例，設置面網(wǎng)格、基本體網(wǎng)格、邊界層體網(wǎng)格[4]。

（3）選取渦粘方程模型進行渦流模擬計算，為提高實用性，采用標準壁面函數(shù)法進行修正。

（4）針對高雷諾數(shù)不可壓縮流問題，選擇更適合的Segregated flow（分離流）解法進行求解。

在初步擬定模型各項參數(shù)取值后，對模型進行試運算，通過對目標計算量的變化情況進行監(jiān)測，確定目標量的收斂情況，從而擬定迭代計算的最大計算步數(shù)。

1.3 擬定研究工況

此次模擬是為了研究未經(jīng)系留的飛機在停駐狀態(tài)下在不同風向風力作用下的受力狀態(tài)，故模擬氣流為自由流。由于環(huán)境溫度變化將影響氣流動力黏度等動力特性，為排除干擾因素，保持模擬環(huán)境溫度為常溫（25℃）。根據(jù)適航標準要求，飛機主系留點及局部結(jié)構(gòu)必須能承受任何方向的65節(jié)（35m/s）水平風引起的限制荷載，故此次模擬設定攻角為0°。為獲取飛機受力的最不利狀況，將風向水平角度從0°等幅增大至180°，增幅為15°；風速分別為15m/s、25m/s、35m/s。

1.4 模型驗證

以飛機起飛離地瞬間狀態(tài)為飛機的參考狀態(tài)，通過理論公式與數(shù)值模擬的氣動力計算結(jié)果進行對比，驗證數(shù)值模型的可靠性。驗證結(jié)果如表3所示。由于飛機模型精度以及湍流影響而使側(cè)力計算值存在一定程度的偏差，但相比于升力與側(cè)力以及飛機自重而言，可忽略不計，故認為文章所建立的數(shù)值模型可靠。

表3 模型驗證結(jié)果匯總表

2 數(shù)值模擬結(jié)果

對數(shù)值模擬計算結(jié)果進行整理匯總，其中參考坐標系為機身坐標系，風向角是指風向與飛機X軸（中軸）負方向之間的夾角，以順時針方向為正。

由于風速越大，飛機所承受的風力荷載也越大，故最不利風速即最大風速35m/s。提取最大風速對應工況的計算結(jié)果，如表4所示。此結(jié)果可作為飛機穩(wěn)定性分析的基礎，也可作為基本力學參數(shù)，用于進一步分析飛機在自身重力、地面摩擦力、系留裝備約束的共同作用下的飛機停駐穩(wěn)定性，對于飛機的停駐安全具有重要意義。

3 結(jié)論

為獲得不同風向風力作用下飛機受到的荷載大小，文章基于STAR-CCM+軟件對飛機及其周圍流場進行流體計算模擬分析，主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：

表4 風力荷載匯總表

（1）以STAR-CCM+軟件應用為基礎技術(shù)手段，確立數(shù)值模型搭建方法；

（2）通過飛機起飛瞬間狀態(tài)的升力理論計算值對模型可靠性進行了驗證，誤差控制在5%以下；

（3）對最不利風速對應工況的計算結(jié)果進行了提取，作為飛機穩(wěn)定性分析的基礎。此計算結(jié)果可作為基本力學參數(shù)，用于進一步分析飛機在自身重力、地面摩擦力、系留裝備約束共同作用下的飛機停駐穩(wěn)定性。