KFM翼型的气动特性分析

叶龙海 朱亚男

摘 要 KFM翼型是一种新型翼型，与常规翼型相比，其在机翼表面上采用阶梯形式，从而对机翼的气动特性造成改变，本文采用Xflr5软件对Clark Y翼型和KFM翼型进行气动分析，KFM翼型在小迎角时的升力系数和升阻比均比Clark Y翼型的升力系数和升阻比大，通过翼型表面压力分析，在机翼迎角较大时，在KFM翼型的阶梯处会出现紊流，从而使飞机的升力系数和升阻比减小。

关键词 KFM翼型；升力系数；升阻比

机翼是飞机升力的来源，人们通过不断地改变机翼的形状，从而使飞机的性能不断提高。随着时代和科技的发展，人们对飞机的飞行性能的要求不断提高，从而出现了更多的机翼种类，如S形翼型，双凸翼型等。一种优越的机翼可以促使一个国家的航空领域更加强大，在军事和商用上都会产生巨大的经济利益，在现实中能有效地使飞机的飞行性能更加稳定，提升飞机的安全性和操作性[1]。

1 KFM翼型原理

KFM翼型在其弦长的50%～60%出现阶梯，阶梯高度为翼型厚度的9%～12%，如图 1所示，当气流流过KFM翼型时，在阶梯后形成旋转的附着涡流，涡流与KFM翼型组成了一个传统翼型的形状，由于空气与其之间的阻力非常小，从而减小了飞机机翼所受的阻力。

2 KFM翼型设计

为了便于对KFM翼型的研究，以Clark Y为原型机翼，在其上翼面制作阶梯，通过对比两个翼型的升力系数，升阻比等关键参数，从而得出KFM翼型的优势和不足。

KFM翼型家族众多，本文只针对KFM-2和KFM-3翼型进行了理论验证，选用弦长为336mm，厚度为30mm的Clark Y翼型为原始翼型，KFM-2翼型在Clark Y机翼弦长的50%处开始制作阶梯，阶梯高度为机翼厚度的9%。KFM-3的第一个阶梯与KFM-2相同，KFM-3翼型的第二个阶梯从KFM-2翼型的阶梯与上翼面相交处开始制作，如图3，图4所示[2]。

3 KFM翼型模拟计算

3.1 KFM-2翼型和KFM-3翼型分析

本文通过KFM翼型与ClarkY翼型的升阻比和迎角的关系以及升力系数和迎角的关系等进行对比。由于对翼型的修改使机翼上翼面后缘出现了一个90°的阶梯，而这种翼型在上表面非线性的外形变化导致了气动特性的非线性变化，所以在进行软件分析时进行阶梯的趋近化模拟，即在阶梯处用一条光滑的圆弧进行替代。

通过把翼型数据导入XFLR5翼型分析软件中，并设置Re=10000，Ma=0，得到图 4升力系数与迎角的关系图 （蓝色曲线为Clark Y翼型，红色曲线为KFM-2翼型，青色曲线为KFM-3翼型），KFM-2翼型在迎角小于7°时有较好的升力系数，并且在迎角小于7°时升力系数比Clark Y较大，当迎角大于7°时，升力系数与Clark Y翼型相比反而减小，通过数据看到，KFM-2的失速迎角与Clark-Y几乎重合，通过分析Clark-Y翼型、KFM-2翼型和KFM-3翼型迎角为7°时翼型表面的气流状态，发现在KFM-2和KFM-3翼型上表面阶梯处会出现回旋的涡流，并且阶梯的增多，会造成回旋涡流的增多，涡流与KFM翼型组成了一个传统翼型的形状，由于空气与其之间的阻力非常小，从而飞机机翼的升力系数增加。并且KFM-3翼型在迎角小于7°时，升力系数比KFM-2翼型的升力系数较大，但是增多并不明显。当迎角大于7°时，由于气流分离点前提，不会在阶梯上形成回旋的涡流，反而在阶梯处发生紊流，从而使机翼的升力系数下降[3]。

如图5（蓝色曲线为Clark Y翼型，红色曲线为KFM-2翼型，青色曲线为KFM-3翼型）所示，KFM-2翼型的升阻比在迎角小于8°时比Clark Y翼型的大，当迎角大于8迎时升阻比没有Clark-Y翼型大，这是因为在迎角小于8°时，升力系数的增加大于阻力系数的增加，所以升阻比整体增加，但是当迎角大于8°时，阻力的增加大于升力的增加，所以升阻比整体减小，但是在3°-8°之间KFM-2和KFM-3之间阻力系数会先增加然后减小，因此在3°-8°之间升阻比会先减小后增大[4]。

与Clark Y不同的是，在ClarkY升阻比下降附近KFM-2翼型升阻比小幅度下降，到达Clark Y的升阻比下降点后又小幅度上升，而后到达自己的飞机失稳点，但是KFM-2翼型的失稳点相对Clark Y飞机的失稳点却往后移动了，而两个机翼之间的差距在于KFM-2存在阶梯。说明阶梯的存在会使升阻比的失稳处发生波折，但是会相应地使飞机的失稳点靠后。

图4所示，KFM-3的升力系数在小迎角时升力比Clark Y较大，但是在8°以后，升力系数较Clark Y较小，如图5所示，升阻比在小迎角时同样比Clark Y较大，并且在Clark Y附近升阻比波动较大，但是失速迎角靠后。

观察图4和图5中KFM-2和KFM-3翼型的升力系数、升阻比与迎角的关系，发现KFM-2和KFM-3翼型的升力系数与迎角的关系曲线几乎重合，但是升阻比與迎角关系的曲线却不重合，并且当迎角在3迎-8迎之间时，KFM-3出现的波动比KFM-2较大，升阻比与迎角关系曲线波动幅度较大。

3.2 KFM-2翼型和KFM-3翼型表面压力分析

通过对KFM-2和KFM-3的升力系数与迎角曲线的观察，发现KFM-2的升力较KFM-3较好，升阻比也比KFM-3多了一个波折区间，从而得到阶梯的增多不但不能提高机翼的升力系数，反而使机翼的升力系数下降。在KFM-2和KFM-3翼型上表面阶梯处的压力较为集中，而KFM-3翼型表面的压力更为集中，这说明阶梯的增多会造成升力的过多损失，对升阻比的波折会更加明显[5]。

4 结束语

（1）KFM-2在小迎角时升力系数比Clark Y较大，随着迎角的增加，升力系数慢慢变得没有Clark Y大。

（2）KFM-2的升力系数较KFM-3较好，升阻比也比KFM-3多了一个波折区间，这表明阶梯的增多并不会增大升力系数和升阻比，反而会减小升力系数和升阻比。

（3）KFM-2翼型的升阻比在小迎角时比Clark Y翼型的大， KFM-2失速迎角较大。

参考文献

[1] 张炜，苏建民，张亚锋.模型飞机的翼型与机翼[M].北京：航空工业出版社，2007：57.

[2] 陈康生.创新KFm翼型大不同[J].航空模型，2015，（10）：34-37.

[3]冯志壮，李斌.表面凹凸充气机翼的气动特性研究[J].航空工程进展，2014，5（1）：38-45.

[4] 吕强，叶正寅，李栋.充气结构机翼的设计和试验研究[J].飞行力学，2007，25（4）：77-80，85.

[5] 贾青萍.充气式机翼结构设计及性能分析[D].北京：北京航空航天大学航空科学与工程学院，2006.

作者简介

叶龙海（1988-）男，毕业院校：飞行学院安阳工学院，专业：机结构强度、飞机结构分析，讲师；现就职单位：安阳工学院飞行学院；研究方向：飞机结构强度、飞机结构分析。