下单翼飞机翼面气流分离问题优化

张 金,王 猛,田 云

（1.沈阳飞机工业（集团）有限公司,沈阳 110850;2.北京航空航天大学,北京 100191）

下单翼飞机翼面气流分离问题优化

张 金1,王 猛1,田 云2

（1.沈阳飞机工业（集团）有限公司,沈阳 110850;2.北京航空航天大学,北京 100191）

下单翼布局的轻型飞机翼根区域所占机翼面积比例很大，环量比较集中，翼根区域的气动设计的好坏对整架飞机的气动特性，尤其是升阻特性有极大的影响。本文经过多轮的方案设计分析，确定了初始设计方案中翼面气流分离的主要原因，改善了大迎角情况下翼身组合体的失速特性，提高了最大升力系数，完成了翼根区域的优化设计。

气流分离；失速特性；上洗；CFD分析

翼根区域的气动设计的好坏对整架飞机的气动特性，尤其是升阻特性有极大的影响。翼根气动力设计是整架飞机设计的重点与难点，完成干净机翼的设计，进行翼身组合体设计时应当进行着重考虑。

1 初始方案

设计完成的干净机翼，装配到机身上，本文简称初始方案。可以看到，翼根处于机身截面开始收缩段，特别是翼根尾缘处收缩更为明显，而且机翼相对机身纵向位置相对靠下。

初始方案在14°迎角情况下的翼面压力云图和流线图见图1。可以发现机翼内侧产生了大范围的气流分离，需要确定分离原因并加以优化。

图1 初始方案在14度迎角时翼身组合体表面压力云图和流线图

2 方案优化

为检验机翼的气流分离，是否是由于翼根分离而引起的，方案（1）将初始方案中的机翼相对机身向纵向（Y）移动了300mm。

此时，机翼的大部分区域分离已经得到改善，仅在翼根部分尚有一块分离区域存在。方案（1）证实机翼的分离很大程度是由于翼根区域的气流分离引起的。

另外，干净机翼在14度迎角时并没有出现分离现象。说明翼身结合处的外形是机翼分离的最直接影响因素。方案（1）的改进不仅未达到与干净机翼同样的气动效果，而且将机翼整体上移，影响了中机身内部的空间以及结构设计。因此，最好的改进方案是设计翼身整流鼓包及改进机身尾部外形。

方案（2）在初始方案的基础上加装了简单的翼身整流鼓包。

该鼓包不仅未能消除气流分离，反而将翼根分离区域扩大了。

方案（3）在初始方案的基础上将机身从翼根尾缘处等直向后延伸了200mm，并且将原始后机身外形改为直线段，以替代原来机身。从流线图可看出，方案（3）这一改进，基本未能对分离产生任何效果。

针对方案2及方案3暴露出来的缺陷，将鼓包设计重点放在翼根尾缘处，将此处鼓包设计得更加饱满和突出得到了方案（4）。

方案（4）有效地减小了机翼分离区域，特别是从升力系数可以看出效果相当显著。

为了进一步消除翼根分离，在方案（4）的基础上进一步加大了翼根尾缘处的鼓包，设计得到了方案（5）。从流线图看机翼尾缘仍然存在一小块分离，特别是翼根尾缘处分离涡依旧没有消失。

方案（5）中的小块分离区域可能是由于下翼面气流绕到上翼面形成分离而引起的。为消除此分离区域，方案（6）将方案（5）的鼓包整体下移，这样鼓包的作用可以将翼根尾缘处上下翼面气流都有较好的压缩效果，最大限度避免下翼面气流绕到上翼面形成分离。

可以看出，方案（6）的鼓包方案完全消除了14度迎角时的分离。为了进一步确定该鼓包的效果，继续验算了16度时的气动性能。可以看到方案（6）在16度迎角下上翼面依然出现了较大范围的分离。这说明方案（6）的鼓包外形还未达到最佳效果。

通过分析方案（6）在16度迎角下的分离特点及流线走向，初步确定分离的主要原因可能是机身底部气流上洗导致的。

为抑制机身底部气流的上洗，在方案（6）的基础上将翼根尾缘处整流鼓包向后延伸了400mm，形成了方案（7）。可以看出方案（7）在14度迎角下分离已经完全消除。

另外，虽然在16度迎角下上翼面出现了部分分离，但翼根处基本没有分离，表明方案（7）的鼓包设计是成功的。

从升、阻和力矩系数曲线可以看出，方案（7）的设计是比较成功的。不仅失速迎角超过了16度，且力矩特性和极曲线较理想。

图 2 方案（7）升、阻和力矩系数曲线

3 结论

针对初始方案中翼面气流分离问题，提出了各种分析和优化方案，确定了翼面气流分离的原因。

翼根气流分离的部分原因是，由于机身在翼根尾缘处收缩幅度较大，翼根尾缘处流道急剧扩张，导致气流从翼根尾缘处分离。另外一部分原因是，由于机翼相对于机身位置相对靠下，机身底部气流上洗翼根区域分离。由于，这两方面的因素综合，最后导致了机翼根部区域的气流分离并向外翼扩展。

[1]方宝瑞.飞机气动布局设计[M].北京：航空工业出版社,1997.

[2]朱自强,吴宗成.现代飞机设计空气动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3]张锡金等.飞机设计手册—气动设计[M],北京:航空工业出版[J]社,2002.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.034