C形机翼气动特性研究

C形机翼气动特性研究杨广珺1,2，张彬乾2，孙静2（1.西北工业大学国防科技研究院，陕西西安710072；2.西北工业大学航空学院，陕西西安710072）摘要:本文研究翼梢几何参数对C形机翼气动性能影响。采用NS方程数值模拟方法，以DLR-F4外形为设计初始布局，在机翼主翼不变、垂直翼梢和水平翼梢与主翼同等后掠、垂直翼梢高度为主翼20%半展长条件下，通过调整翼梢水平段长度参数，研究不同的C形构型对C形翼气动性能的影响规律及其流动机理。关键词：C形机翼，翼梢，流动干扰，旋涡中图分类号：V211.3文献标识码：A0引言为适应21世纪的军民用空中运输需要，人们正在积极探索经济性、适用性更好的大型运输机新概念气动布局，如飞翼布局、连翼布局、盒式机翼布局等，这些新概念布局主要着眼于高升阻比、大载重量的气动性能设计。机翼是飞机的主要升力面，机翼的气动设计仍是飞机气动布局设计的核心。亚音速飞行状态下，机翼的诱导阻力约占全机总阻力的1/3强，爬升阶段更可高达1/2，因此，在积极发展高升阻比的层流、超临界翼型的同时，发展减小诱导阻力的机翼外形始终是大型飞机气动力设计的努力方向。随着飞机总体设计技术的发展和对流动机理研究的深入，利用部件之间的流动干扰、实现流动控制减小诱导阻力、提高升阻比、增加稳定性、改善飞行品质成为气动布局研究的热点。降低机翼诱导阻力的方法目前主要是对翼梢进行气动优化设计，已有多种翼梢外形获得成功应用，如翼梢端板、翼梢小翼、翼梢帆片、剪切翼梢等。本文所研究的C形机翼是基于控制常规机翼翼梢涡的概念，在机翼翼梢增加垂直段和水平段，构成形似英文字母‘C’的机翼外形，利用翼梢段各部分之间的流动干扰，提高机翼升阻比，探索气动性能优良的新型机翼气动外形。1研究模型本文讨论不同翼梢水平段长度对C形机翼布局气动特性的影响。以DLR-F4标模外形为设计初始布局，该标模机翼前缘后掠角27.1°，后缘内侧有拐折。各研究模型采用F4标模机身，以F4标模机翼为主翼构成研究布局，翼梢垂直段和水平段均相同后掠、等弦向长度，弦长为主翼翼梢处弦长。其中，翼梢垂直段翼型选择为NACA0012，翼梢水平段翼型选择为主翼梢部翼型。各研究模型的翼梢垂直段相同，垂直于飞机水平面，高度为主翼的20%半展长。由于翼梢水平段与主翼的相对长度由零变化到100%的半展长，因此，零长度翼梢水平段的研究模型可视为翼梢小翼布局，100%半展长翼梢水平段的研究模型可视为盒式翼布局。研究模型示意如图1所示。图1C形机翼研究模型示意图本文中，各研究模型参考面积均取DLR-F4标模机翼参考面积。2计算方法本文采用成熟的流体数值计算软件CFX对各研究模型进行计算分析，控制方程为3D可压N-S方程，湍流模型采用RNG的k-ε模型，利用有限体积法将控制方程离散，对流项采用二阶迎风差分格式进行推进求解。计算采用的非结构网格由ICEM软件生成，对各布局外形，采用相同的网格密度划分。计算边界条件：物面为无滑移条件，远场为自由流条件，计算残差收敛精度为-510。图2为表面及空间非结构网格示意图。(a)表面网格(b)翼身结合处表面网格放大(c)空间网格图2网格示意图3结果与讨论对DLR-F4标模外形进行数值计算，计算条件：雷诺数Re＝3.0×106,马赫数M＝0.75，迎角α=0°～6°。计算结果如图3所示。与实验值【5】比对，证明本文计算方法和手段是满意、可信的。0.40.50.60.70.80.90246a(°)CLExpComp0.020.040.060.080.10.120.40.60.81CLCDExpComp图3DLR-F4气动特性计算结果分别计算了翼梢小翼、20%～80%（每20%一间隔）水平翼梢长度的C形机翼、盒式翼等布局的气动特性，各布局升阻比比较如图4所示。81012141618200123456α(O)K盒式翼80%C60%C40%C20%C翼梢小翼DLR-F4图4不同研究模型的升阻比可以看出，20%半展长翼梢水平段的C形翼在巡航迎角附近具有最佳的升阻比，其升阻比较盒式机翼提高达10%以上；40%半展长翼梢水平段的C形翼布局与翼梢小翼布局的升阻特性接近，翼梢小翼布局在0～2度迎角范围内也具有较好的升阻特性。计算结果表明：40%以下翼梢水平段的C形机翼具有较好的升阻特性，采用较短翼梢水平段长度的C形翼布局，可获得较大的全机升阻比。鉴于此，本文增加计算了10%、30%半展长翼梢水平段C形翼布局的气动特性。各布局气动特性比较如图5所示。0.40.60.811.21.40123456α(O)CL40%C30%C20%C10%C翼梢小翼(a)升力特性0.020.040.060.080.10123456α(O)CD40%C30%C20%C10%C翼梢小翼(b)阻力特性81012141618200123456α(O)K40%C30%C20%C10%C翼梢小翼(c)升阻比图5各布局气动特性由上述计算结果得到翼梢水平段长度对机翼布局升阻比的影响曲线，如图6所示。0481216200%20%40%60%80%100%lengthKa＝0°a＝2°a＝4°a＝6°图6水平段长度对各布局升阻比影响C形机翼的翼梢垂直段同时影响着绕主翼和水平段的流动，对这二者在其连接部分压力系数高向压力系数低的区域的流动构成遮挡。这与翼梢小翼对机翼的流动影响相类似，可以在一定程度上降低诱导阻力。在C形翼翼梢水平段所处高度不变、机翼各部掠角不变、无反角和安装角情况下，20%半展长的C形翼梢水平段接近处于最佳的相互干扰位置。在主翼流动部分，由于垂直段起到了类似翼梢小翼的作用，对主翼下表面向上表面的绕流构成遮挡，初步降低了诱导阻力；而20%半展长的水平段梢部拖出的涡与主翼的尾涡构成有利干扰，对主翼涡有降低涡强的趋势，两涡的相互作用使得全布局尾涡影响减弱，降低了下洗诱导。C形机翼使流动相互干扰，翼梢涡/尾涡形状复杂，是旋涡流动是相互缠绕、合并、增强或减弱的过程，其流动机理有待于更深入的研究。图7分别给出了相同纵向位置DLR-F4与C形机翼布局空间截面流线图，L为机身长度。(a)空间站位示意图（x/L＝0.654）(b)DLR-F4(c)C形机翼图7空间截面流线图C形机翼的设计思想不同于翼梢小翼。这是因为，翼梢小翼的设计出发点源于对主翼设计的补充，在主翼设计不变情况下如何降低机翼诱导阻力、提高升力或额外的附加推力；而C形机翼的主、翼梢垂直段、翼梢水平段需设计形成一个完整的结构，水平段涡与主翼涡的相互干扰应当是降低总的布局涡强度，各部分流动所形成相互干扰、所需的相对位置等参数在C形机翼设计之初就应当予以充分考虑。4小结本文通过对各C形机翼布局的初步研究，讨论了相同高度与掠角的翼梢水平段长度对全机的气动特性影响。与普通机翼布局、盒式翼布局和翼梢小翼布局相比，C形机翼布局的流动有如下特点：（1）翼梢垂直段同时对上下机翼部件绕流有遮挡，这一遮挡既降低基本翼翼梢部分绕流对流动的诱导，又降低了水平翼梢段连接部分的诱导流动，可减小布局诱导阻力；（2）水平翼梢段悬空部分拖出的涡与基本翼涡的流动构成干扰，这一干扰可能降低尾涡强度，也可能使其得到增强，影响着翼梢垂直段的减阻效果，更直接关系干扰流动对布局的影响。参考文献：[1]I.Kroo,InnovationsinAeronautics,AIAA2004-0001,Jan.,2004[2]ChristopherL.Rumsey,S.MelissaRivers,JosephH.Morrison,StudyofCFDVariationonTransportConfigurationsfromtheSecondDragPredictionWorkshop,2ndCFDDragPredictionWorkshop,June,2003[3]E.M.Lee-Rausch,P.G.Buning,CFDSensitivityAnalysisofaDragPredictionWorkshopWing/BodyTransportConfiguration,AIAA2003-3400,June,2003[4]EdwardN.Tinoco,DragPredictionwiththeZeus/CFL3DSystem,2ndCFDDragPredictionWorkshop,June,2003[5]G.Redeker,DLR-F4WingBodyConfiguration.AGARD-AR-303,Vol.2,B4,1994[6]王福军编著，计算流体动力学分析，清华大学出版社，2004年[7]侯中喜，夏刚，王承尧，CFD解的数值可靠性分析，第十二届全国计算流体力学会议，2004年8月AnalysisonC-wing’sAerodynamicCharacteristicYANGGuang-jun1,2,ZHANGBin-qian2,SUNJing2(1.DefensescientificandtechniqueAcademy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072)(2.CollegeofAeronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072)Abstract:TheeffectofwingtipgeometryparametersontheaerodynamiccharacteristicsofC-wingisstudiedinthispaper.Numericalsimulationisbasedon3DcompressibleNavie-Stokessolvers.DLR-F4ischosentobeinitialconfiguration.Themainwingisfixed,thebacksweptangleofverticalwingtipandhorizontalwingtipisidenticaltothemainwingandtheheightofverticalwingtipiskepttobe20%ofthesemi-span.Basedontheinitiallimitationabove,thelengthofhorizontalwingtipischangedtogetdifferentC-typewing.TheeffectofsuchchangeonC-wing’saerodynamiccharacteristicsisanalyzedandflowmechanismisgivenout.Keyword:C-wing,wing-tip,flowmechanism,vortex作者简介：杨广珺(1976－)，男，西北工业大学工程师，主要从事飞行器气动布局设计研究。地址：西北工业大学国防科技研究院陕西西安710072电话：[phone]（O），13152160662E-Mail:[e-mail]