基于ANSYS Workbench软件模拟高空发电翼伞三维结构研究
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作者:袁易
摘 要：随着社会的快速发展，地球上的能源被大量消耗，迫切需要开发新能源或进行技术的创新。风能作为一种可再生清洁能源一直被人们广泛运用，但传统的风力发电方式具有成本高、效率低等缺点。而利用高空风能进行风筝发电的新发电方式在一定程度上避免了这些缺点。文章主要通过ANSYS Workbench软件研究了用于风筝发电的翼伞部分，对翼伞的三维结构进行了气动性能的模拟仿真分析，为风筝发电的进一步研究提供基础。
关键词：风筝发电;翼伞三维结构;气动性能分析
与低空风能相比，高空风能具有稳定性强、分布范围广、风速快、储量丰富以及常年不断等优点。而风筝发电正是利用了高空风能进行发电，将风筝放入高空中由控制装置控制其按照一定的轨迹飞行，从而通过系绳牵动地面的发电机运转，将机械能转化成需要的电能。而本文主要研究的就是用于高空发电的翼伞部分。
翼伞按结构主要分为冲压式翼伞和龙骨式翼伞两种。龙骨式翼伞的外形看起来就像是两个连在一起的等腰三角形。它可以分成两类，即单龙骨式与双龙骨式翼伞，可以用于飞行表演、广告宣传等。冲压式翼型伞是从竞技跳伞运动项目中衍生出来的，是由透气量极低甚至不透气的材料制作而成的，具有双层结构的柔性翼，它分为上翼面和下翼面，前者主要承受飞行时受到的气动力，后者主要承受开伞时受到的冲击力，因此，下翼面小范围的损毁并不会破坏整个翼伞的气动性能。目前，还不能较好地处理龙骨式翼伞伞衣破损的问题[1]，因此，本研究采用了冲压翼伞。近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟凭借其在时间和成本上的优势逐渐得到了人们的重视，越来越多的研究人员利用计算机对翼伞进行数值模拟。MITTAL S等[2]和BALAJI R等[3]通过对有前缘切口的翼伞翼型进行数值模拟，得到了翼型在不同雷诺数下的升阻特性;HAN Y H等[4]对有气室的三维翼伞模型和没有气室的三维翼伞模型作了对比研究;ALTMANN I H[5]通过数值模拟研究了翼伞的气动特性，得到了翼伞在充气后的外形。
1 理论基础
1.1 ANSYS Workbench
本研究采用ANSYS Workbench对翼伞三维结构进行了流体动力学的分析模拟。ANSYS Workbench作为ANSYS公司推出的多物理协同仿真环境平台，具有与经典ANSYS（ANSYS CLASSIC）核心产品完全统一的核心技术，具有强大的三维建模能力、数据交互能力、数据管理能力以及仿真优化能力。用ANSYS Workbench对翼伞做流体分析的一般步骤为：（1）利用该软件自带的建模平台对翼伞进行建模。（2）在模型的基础上进行网格划分操作。（3）利用WORKBENCH—CFX在（2）的基础上进行前处理和后处理操作。（4）得出相应的云图，对结果进行分析研究。
1.2 翼伞结构
冲压翼伞除了有上下两个翼面外，还有在两者之间的翼肋，一般翼肋上还会有一定数量的小圆孔，在翼伞飞行时，空气主要从翼伞的前缘切口处进入翼伞内部，再通过翼肋上的小圆孔平衡整个翼伞内部的压强，使翼伞保持一定的刚性和外形，如图1所示。
2 仿真模拟
2.1 模型简化
本研究在研究翼伞时，对翼伞的三维结构模型采用以下简化假设：
（1）翼伞为刚体，不考虑其在气动力作用下的变形。
（2）翼伞透气量为零。
（3）忽略风筝相对于风的相对速度。
（4）来流速度为11 m/s。
（5）忽略伞绳的影响。
2.2 建立模型
在Workbench的Geometry平台上进行建模。由于翼伞附近的流场变化较大，为了准确地描述流动情况，需要为模型建立流场域，流场边界条件应在实际计算允许的前提下尽可能地远离扰动源，也就是翼伞远一点，不能将边界条件定得太远，根据经验将边界定为离翼伞50 m远，形成了一个立方体的流场域，基本满足无限远场的流场边界条件。
2.3 划分网格
在建立好三维模型的基础上，需要对其进行网格划分，但在进行划分网格的操作前，需要对几何模型的固体部分进行抑制，因为对翼伞的气动性能分析仅考虑流体部分，与模型的固体结构无关。流场模型设置如下：流体为不可压空气，流速为11 m/s，入口为速度入口，出口为压力出口，非進出口为自由边界，翼伞为壁面边界。流场的湍流模型为k-ε二方程模型。
2.4 CFX前处理操作
网格划分完成后，进行CFX的前处理操作。在进行前处理操作时，需要对几何模型部分进行命名，本研究将几何模型的几个部分分别命名为：inlet，outlet，wall。然后通过一系列CFX后处理操作，得出翼伞的速度流线图。
3 气动性能分析
通过CFX后处理得到了翼伞的速度流线图，如图2所示，可以看出，在本次仿真的情况下，空气在翼伞上表面的速度呈先增大后减小的趋势，并且在上表面前缘部分的速度最大，为14.3 m/s，其他部位的速度为10.83 m/s。而中间部分则表示了翼伞表面压强的分布情况，从图2中可以看出，从前缘到后缘，翼伞上表面压力逐渐增加，且前缘两侧压力较大而中间部位压力较小，后缘两侧压力较小，中间部位压力先增大后减小，查阅相关资料，发现与普通翼伞的规律相符[6]。
4 结语
本文主要利用了计算流体力学的方法，通过ANSYS Workbench软件对用于风筝发电的翼伞进行了模拟仿真，从而得到了翼伞的速度流线图，模拟了风筝发电时翼伞在上述条件下的状态，为以后风筝发电翼伞部分的进一步研究提供了基础。 [參考文献]
[1]冯云明.翼伞设计及其气动性能研究[D].南京：南京航空航天大学，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]陆伟伟，张红英，连亮.大型翼伞的三维气动性能分析[J].航天返回与遥感，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
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