雷熙薇，桑為民，段卓毅，馮海勇，張彥軍

(1西北工業(yè)大學(xué)翼型、葉柵空氣動力學(xué)國防科技重點實驗室，陜西西安 710072)(2中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，陜西西安 710089)

0 引言

現(xiàn)代運輸機多采用翼吊渦扇發(fā)動機布局，發(fā)動機及其進排氣系統(tǒng)對飛機氣動性能有明顯影響。

實踐表明，短艙、掛架對機翼繞流的影響區(qū)域并不僅局限于其附近翼面，幾乎整個機翼繞流均受其影響。超臨界機翼上的壓力分布對掛架外形以及短艙相對于機翼的空間位置相當(dāng)敏感［1－2］，發(fā)動機的安裝改變了通過機翼的繞流，在翼/身/架/艙(WBPN)之間形成的“通道”中存在強烈的干擾流場:比如激波提前產(chǎn)生和增強而形成分離;掛架前緣與機翼前緣繞流的干擾;翼下短艙和掛架對機翼整個繞流流場的干擾影響等。

這些干擾的影響很大，特別是對于大旁通比的發(fā)動機，干擾阻力可達(dá)全機阻力的3%左右，而巡航阻力每降低1%，可減少飛機直接使用成本1.2%［3］。因此，找出短艙掛架的最優(yōu)配合位置，精確預(yù)測翼/身/架/艙干擾影響，對于評估飛機氣動性能和操穩(wěn)特性是十分必要的。

通過試驗及理論計算兩個途徑可以分析并解決上述干擾問題。以前，由于機翼與短艙、掛架的干擾機理十分復(fù)雜，該類干擾影響的研究工作主要由風(fēng)洞試驗完成。現(xiàn)在，由于計算機技術(shù)的高速發(fā)展及計算流體力學(xué)(CFD)方法的日益完善，對復(fù)雜流場進行數(shù)值分析已成為可能，并有快速、靈活和成本低等優(yōu)點。

本文使用CFD方法對短艙掛架的縱向位置進行優(yōu)選分析，得出優(yōu)選配合位置，減小翼/身/架/艙之間的干擾影響，具有工程應(yīng)用價值。

1 數(shù)值方法

1.1 計算方法及控制方程

面元法雖然計算速度快，但對于解決激波及大分離問題較弱;N-S方程雖然計算結(jié)果準(zhǔn)確，但它的計算速度較慢，計算代價大;Euler方程不僅計算速度較快，而且計算結(jié)果趨勢準(zhǔn)確，適于初始方案階段的快速選型。所以最終選用Euler方程(MGAERO軟件)進行本文優(yōu)選數(shù)值研究。

MGAERO軟件采用笛卡爾網(wǎng)格，應(yīng)用有限體積法求解三維Euler方程，計算繞任意幾何外形的三維可壓流動，應(yīng)用了當(dāng)?shù)貢r間步長、隱式殘值光順以及焓阻尼和多重網(wǎng)格技術(shù)等多種加速收斂措施。由于采用了均勻網(wǎng)格，Euler方程的離散在空間能達(dá)到二階精度;在時間上采用多步顯式 Runge-Kutta方法推進求解［4－5］。MGAERO軟件可以準(zhǔn)確地捕捉不同構(gòu)型之間的氣動力差量，計算結(jié)果趨勢與試驗符合較好，尤其是在跨聲速、超聲速及在馬赫數(shù)不小于0.3的亞音速，但它不適于計算大迎角復(fù)雜高速構(gòu)型及馬赫數(shù)小于0.2的低速構(gòu)型［5］。

可壓縮流體運動的Euler方程:

通量矢量E表示為

1.2 計算網(wǎng)格

本文采用笛卡爾網(wǎng)格對WBPN簡化構(gòu)型進行縱向氣動特性Euler方程計算(由于本文目的是快速方案選型優(yōu)化，較注重差量對比)，共7層網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為2，607，475，對外形曲率變化較大處進行了局部網(wǎng)格加密，獲得的空間網(wǎng)格如下圖1所示。

圖1 空間網(wǎng)格Fig.1 Space grids

1.3 計算方法驗證

為了驗證計算方法的可靠性和準(zhǔn)確性，我們選取了某飛機標(biāo)模的縱向半模構(gòu)型進行計算驗證。計算狀態(tài)為 M=0.85，Re=4.9830 ×106(基于平均氣動弦長)。計算極曲線與試驗數(shù)據(jù)對比如圖2所示?？梢钥闯鲇嬎憬Y(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，精度滿足工程分析需要。其他大量算例也驗證了本文計算方法的可靠性與準(zhǔn)確性［4，8 －10］。

圖2 極曲線(M=0.85)Fig.2 Drag coefficient curve(M=0.85)

2 前伸量、下沉量定義與選取

如圖3所示，前伸量定義為X/C，X為該處外涵噴口到機翼前緣的縱向距離，C為該處翼弦弦長，下沉量定義為h/D，h為該處機翼下翼面切線與短艙上表面切線的距離，D為外涵噴口直徑。本文短艙掛架前伸量、下沉量的初始位置為:

內(nèi)側(cè)短艙:X/C=0.2332、h/D=0.3787、展向位置27%

外側(cè)短艙:X/C=0.2756、h/D=0.3502、展向位置48%

圖3 短艙掛架前伸量和下沉量定義圖Fig.3 Definition of the protrusion and subsidence

前伸量是翼/身/架/艙干擾影響的關(guān)鍵因素，是短艙沿縱向距干擾速度場遠(yuǎn)近的標(biāo)志，下沉量不僅是影響短艙/機翼干擾的重要因素，也是衡量發(fā)動機吸進地面雜物可能性的重要因素之一［11］。

根據(jù)俄羅斯中央空氣流體動力研究院對運輸機的研究經(jīng)驗［12］，前伸量最佳范圍為 0.143 ～0.161，最佳值在0.152 左右;下沉量最佳范圍為 0.187 ～0.342，最佳值在0.264左右。本文參考給定運輸機的初始幾何外形，先固定初始下沉量，選取 －0.1、0.0、0.1、0.2 和 0.3五個前伸量位置進行計算，選取阻力最小的為優(yōu)選前伸量;再固定初始前伸量，選取 0.2、0.4、0.6、0.8 和 1.0五個下沉量位置進行計算，選取阻力最小的為優(yōu)選下沉量;最后把優(yōu)選前伸量與下沉量配合在一起，得出縱向優(yōu)選位置。

圖4、圖5 分別給出了 M=0.74、0.78 時前伸量和下沉量對升阻特性的影響，其中縱坐標(biāo)為WBPN與WB(翼/身)構(gòu)型的阻力差量(WB的計算值也是由本文計算方法獲得)。當(dāng) M=0.74、Cl=0.51 時，前伸量為 0.1的WBPN 構(gòu)型，阻力差量減小12.5%;當(dāng)M=0.78、Cl=0.51時，下沉量為0.2的 WBPN構(gòu)型，阻力差量減小4.92%。所以選取優(yōu)選前伸量為0.1，優(yōu)選下沉量為0.2?？梢?，前伸量比下沉量的減阻貢獻大，小升力系數(shù)時更為明顯。所以，短艙掛架的縱向優(yōu)選配合位置為:前伸量0.1+下沉量0.2，如圖6所示。

圖6 優(yōu)選配合位置與初始位置對比圖Fig.6 Comparison between the optimized location and the original location

3 優(yōu)選位置與初始位置氣動特性對比

3.1 阻力特性

圖7為M=0.74、0.78時短艙掛架的優(yōu)選配合位置與初始位置的阻力比較，減阻量是可觀的。圖8為M=0.74時優(yōu)選配合位置的減阻量與初始位置干擾阻力的比較，可見位置優(yōu)選后，小升力系數(shù)下干擾阻力減少量很可觀，但不能完全消除干擾阻力，因為干擾阻力的產(chǎn)生與下翼面的速度增量直接相關(guān)，小升力系數(shù)時，下翼面的速度高，易產(chǎn)生激波，隨升力增加，下翼面速度降低，干擾減弱。

圖8 優(yōu)選位置減阻量與初始位置干擾阻力比較(M=0.74)Fig.8 Comparion between the drag reduction of optimized location and the interference drag of original location(M=0.74)

3.2 升力、俯仰力矩特性

從圖9和表1可以看出，優(yōu)選配合位置的升力及俯仰力矩特性均優(yōu)于初始位置。

表1 優(yōu)選配合位置相對于初始位置的氣動力差量Table 1 Difference of the aerodynamic force between the optimized location and original location

圖9 優(yōu)選配合位置與初始位置升力、俯仰力矩比較(M=0.74)Fig.9 Comparison of lift and pitching moment between the optimized location and original location(M=0.74)

3.3 壓力分布特性

圖10、圖11 為 M=0.79，α =1°時短艙掛架優(yōu)選配合位置與初始位置的壓力分布及機翼下表面等壓線云圖對比。

從圖11可以看出，翼根與內(nèi)側(cè)短艙間原有的較強激波在優(yōu)選后明顯減弱。優(yōu)選后的位置對減小波阻是比較有利的，這主要得益于以下三方面:一是面積率有所改善，短艙掛架前移后與機翼的面積重疊有所錯開;二是前移和上移后的掛架后掠角增加;三是優(yōu)選后的位置短艙后緣處于機翼下翼面前緣附近，而短艙后緣的氣流速度較低，這對減緩下翼面的壓力變化是有利的。

圖10 優(yōu)選配合位置與初始位置壓力分布對比圖(M=0.79，α=1°)Comparison of the pressure distribution between the optimized location and original location(M=0.79，α =1°)

圖11 優(yōu)選配合位置與初始位置下翼面等壓線云圖對比Fig.11 Comparison of the Pressure Contour between the optimized location and original location

4 結(jié)論

1)經(jīng)過計算分析，選出前伸量0.1+下沉量0.2為本文短艙掛架的縱向優(yōu)選配合位置;

2)短艙掛架位置優(yōu)選后，氣動干擾明顯減小，減阻貢獻較大，升力及俯仰力矩特性也得到改善，從壓力分布看，下翼面波阻明顯減小;

3)在分析翼/身/架/艙干擾問題的同時，還要兼顧對低速特性的影響，如:短艙是否與前緣縫翼產(chǎn)生幾何干涉;位置優(yōu)選后的發(fā)動機噴流是否會打到后緣襟翼上;短艙上移是否會導(dǎo)致抖振邊界及阻力發(fā)散問題等;

4)翼吊布局運輸機的翼/身/架/艙干擾問題比較復(fù)雜，本文得出的只是一個初步的數(shù)值計算結(jié)論，其分析計算思路在初始選型設(shè)計中已得到應(yīng)用，對后續(xù)的短艙掛架位置詳細(xì)設(shè)計具有指導(dǎo)和參考價值，在此基礎(chǔ)上還需進一步開展相關(guān)的風(fēng)洞試驗研究。

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