带升力风扇飞翼布局开口机翼气动特性研究

王琦, 林玉祥, 丁厚安, 张燕海

(南昌航空大学 飞行器工程学院, 江西 南昌 330063)



带升力风扇飞翼布局开口机翼气动特性研究

王琦, 林玉祥, 丁厚安, 张燕海

(南昌航空大学 飞行器工程学院, 江西 南昌 330063)

为获得带升力风扇飞翼布局飞机因开口对机翼气动特性的影响规律,对平飞状态下开口机翼的气动特性进行三维气动仿真,分析升力系数、阻力系数和力矩系数随来流速度和迎角变化的特性。结果表明:随着来流速度增大,阻力和力矩呈上升趋势;来流速度一定时,随着迎角加大,升力系数增大,阻力系数先减小后增大;随着迎角增大,力矩系数先减小后增大再减小,且一直产生低头力矩。

升力风扇; 飞翼布局; 开口机翼; 气动特性

0　引言

飞翼布局为典型的翼身融合布局[1-2]。相比于常规布局,飞翼布局有很多优势[3]:一是由于没有常规飞机布局的尾翼,飞翼布局明显减少了飞机重量[4],全机重量更加合理地沿翼展分布;二是飞翼布局具有良好的气动特性,从气动外形看,翼身融合为一体,整架飞机是一个升力面,大大增加了升力[5];三是飞翼布局有效减小了飞机的雷达反射面积,提高了隐身性[6]。飞翼布局是高空长航时无人机采用的气动布局形式之一[7-8]。

升力风扇是一种具有特殊作用的涵道风扇系统,应用于升力风扇概念垂直起降飞机,可实现超短距离/垂直起降,其主要工作状态下的轴向来流速度可视为0[9]。升力风扇垂直起降飞机(Lift-fan VTOL)在飞行性能、场地实用性和可靠性方面具有净升力效率高、低耗油率、高速特性好、无热喷流、喷流速度小、低声噪、无外露旋转部件以及在狭小场地起降安全性高等优势[10-11]。

带升力风扇飞机的基本飞行过程分为垂直起降、过渡飞行和平飞3个阶段。在平飞阶段,机翼重心处的开口会对其气动特性产生较大影响[12-13]。

本文采用CFD方法,分析带有两个升力风扇的双涵道飞翼布局无人机在平飞阶段开口机翼的气动特性,并与完整机翼进行对比,为带升力风扇飞翼布局飞机动力学建模及机翼开口结构优化设计提供理论依据。

1　CFD气动计算

1.1带升力风扇飞翼布局无人机参数

本文研究的带升力风扇飞翼布局无人机如图1所示。无人机翼型为MH113,机翼展长为1 m,安装升力风扇处涵道开口直径为520 mm,翼根和翼梢处翼型弦长分别为980 mm和260 mm[13];飞机重心位于两升力风扇的中心位置。

图1　带升力风扇飞翼布局飞机Fig.1　Flying wing configuration aircraft with lift-fan

1.2开口机翼的气动计算

由于本文只针对开口机翼的气动特性进行研究,并且飞机完全对称,所以首先对模型进行简化,取消机身、升力风扇以及翼梢小翼。简化后的计算模型如图2所示。然后对机翼进行网格划分,开口机翼的结构网格数约为200万,完整机翼的结构网格约为180万,设置流场域为长方体流场。机翼网格如图3所示。

图2　简化的计算模型Fig.2　Simplified calculation model

图3　机翼的网格划分Fig.3　Mesh demarcation of the wing

本文采用FLUENT6.3.26进行前期处理、中期求解以及后期数据处理,通过ProfiliV2计算得到雷诺数为1.27×107,流体设为理想气体;湍流模型为N-S方程的k-ε标准模型;压力和速度的耦合采用SIMPLE算法,并采用单阶精度;远场压力设为进出口边界条件;机翼迎角为-9°～18°。

2　计算结果及分析

2.1开口机翼的气动特性

在平飞状态下,开口机翼在-9°～18°迎角范围内,不同来流速度下的气动特性如图4所示。

图4　开口机翼平飞状态下的气动特性Fig.4　Aerodynamics characteristics of opening wing in level flight condition

从图4中可以看出:在相同速度下,升力系数随迎角的增大而增大,当α>-2°时,机翼产生正升力，阻力系数呈先降后升的趋势;当α>-3°时,阻力系数呈上升趋势,俯仰力矩系数呈先降后升再降的趋势,迎角-5°和6°为两个拐点位置;当迎角一定时,升力系数(α>-2°时)、阻力系数和俯仰力矩系数均随来流速度的增加而增加。

2.2开口机翼与完整机翼的气动特性对比

在平飞状态Ma=0.6时,对开口机翼与完整机翼的气动特性进行对比,结果如图5所示。

图5　开口机翼与完整机翼的气动特性对比Fig.5　Aerodynamics characteristics comparison between opening wing and complete wing

由图5可以看出:

(1)迎角相同时,开口机翼产生的升力均小于完整机翼,且在α<-2°时产生负升力。

(2)开口机翼和完整机翼均在α=-3°附近产生最小阻力;开口机翼的阻力系数随迎角的变化趋势比完整机翼较缓;当α<12°时,开口机翼产生的阻力大于完整机翼,而α>12°后小于完整机翼。

(3)开口机翼俯仰力矩随迎角的变化不大,且均为低头力矩;完整机翼的俯仰力矩系数随着迎角的增大而减小,且当α>9°时,产生抬头力矩。

(4)开口机翼升阻比总体随迎角加大呈上升趋势,当α>-2°后均为正值,只有当迎角达到15°后才出现一定的下降趋势;完整机翼升阻比均为正值,在α=3°时出现拐点,升阻比由升转降,但均大于开口机翼。

3　流场分析

开口机翼在以Ma=0.6平飞状态下,迎角分别为-6°,0°,6°,12°和18°时的机翼上下表面压力分布如图6所示。图中,左侧为机翼上表面;右侧为机翼下表面。

图6　开口机翼上下表面压力分布图Fig.6　Upper and lower surface pressure distribution on opening wing

由图6可以看出:随着迎角增大,开口处靠近机翼前缘部分压力基本保持不变,靠近机翼后缘部分压力不断增大;机翼上表面压力不断减小,并且高压部分逐步向机翼前缘移动;机翼下表面压力不断增大,并且高压区也逐步向机翼前缘移动;在机翼上表面翼梢处出现了低压区,且呈扩大趋势。

α=0°时,开口机翼的流场轨迹如图7所示。可以看出:机翼开口处出现上下两个涡;在机翼开口处的尾流中也产生了涡,且尾流速度明显低于未开口处机翼尾流速度。

图7　α=0°时开口机翼的流场轨迹Fig.7　Flow path of opening wings when α=0°

为了更加清楚地观察开口处的流场,给出了沿机翼翼展方向350 mm剖面处的速度矢量图、流场压力分布云图和涡量等值线图,如图8所示。

从图8中可以看出:机翼开口处和机翼尾流均产生了较大的涡,对机翼产生较大的阻力;开口机翼的前半部分产生负升力,后半部分产生正升力;因为气动中心位于机翼开口之间,所以开口机翼只产生低头力矩。

4　结论

(1)开口机翼的升力系数、阻力系数、力矩系数和升阻比均随来流速度的增大而增大。

(2)由于开口造成机翼面积减小,其升力特性明显下降,且在α<-2°时,开口机翼不会产生正升力。

(3)由于开口处产生了气流干扰,使得阻力系数加大;但正是由于干扰流场的存在,使得阻力系数随迎角增大而上升的趋势减缓。当α>12°时,开口机翼的阻力反而小于完整机翼,即开口机翼在大迎角下具有更好的阻力特性。

(4)由于机翼开口损失部分机翼面积,并且开口处机翼尾流产生了涡，造成较大的阻力,开口机翼的升阻比总是小于完整机翼,且变化比较平缓。

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(编辑：李怡)

Study on aerodynamic characteristics of lift-fan aircraft openings with flying wing configuration

WANG Qi, LIN Yu-xiang, DING Hou-an, ZHANG Yan-hai

(School of Aircraft Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

In order to obtain the effect laws of the openings on the aerodynamic characteristics of the flying wing configuration aircraft with lift-fan, the three-dimensional aerodynamics characteristics simulation of the opening wing was proceeded in level flight condition, and the characteristics of lift coefficient, drag coefficient and moment coefficient changing with the flow velocity and angle of attacked were analyzed. Results show that the drag coefficient and moment coefficient are on the rise with the increasing of the velocity. Under the same flow velocity, with the increasing of angle of attack, the lift coefficients increase, the drag coefficients are decreased firstly and then increased; the moment coefficients are decreased firstly and then increased and decreased, and always produce down moment.

lift-fan; flying wing configuration; opening wing; aerodynamic characteristics

2015-09-08;

2015-12-01; 网络出版时间:2016-02-29 16:38

江西省自然科学基金资助(20142BAB206026)

王琦(1963-)，男，浙江东阳人，教授，博士，主要研究方向为飞机总体设计与结构优化、飞行控制。

V211.41

A

1002-0853(2016)04-0029-04