許雪梅 ，張 潔 ，華 杰

（1.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000；2.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

基于CFD的內(nèi)附翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

許雪梅1，張 潔2，華 杰2

（1.蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000；2.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

本研究基于CFD數(shù)值優(yōu)化從翼地效應(yīng)擴(kuò)展到應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，從外部看仍是一個(gè)機(jī)翼，但是前緣和后緣都是沒(méi)有封閉的。通過(guò)Fluent軟件分別計(jì)算了中間翼型距離上翼型距離H為1.5~10.5cm，取攻角為0度、4度和8度，共計(jì)21種參數(shù)組合工況，且計(jì)算0度迎角下單個(gè)翼型和大間距的內(nèi)附翼的情況，計(jì)算結(jié)果表明內(nèi)附翼的氣動(dòng)性能具有較大潛力，當(dāng)中間翼型距離上翼型距離為10.5cm設(shè)計(jì)的小間距內(nèi)附翼氣動(dòng)性能最好。最后通過(guò)制作和飛行試驗(yàn)證明其性能優(yōu)越。

內(nèi)附翼；翼型設(shè)計(jì)；氣動(dòng)分析；數(shù)值模擬；設(shè)計(jì)制作

在機(jī)翼設(shè)計(jì)方面，研究都是基于常用的翼型出發(fā)應(yīng)用優(yōu)化算法得到高性能翼。本研究從翼地效應(yīng)擴(kuò)展到應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)。內(nèi)附翼從外部看仍是一個(gè)機(jī)翼，但是前緣和后緣都是沒(méi)有封閉的，從橫截面看是多個(gè)翼型垂直方向的疊加組合。理論上此設(shè)計(jì)能明顯提高機(jī)翼的升力等氣動(dòng)性能 。

基于CFD數(shù)值優(yōu)化方法的內(nèi)附翼的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)給研究人員在機(jī)翼的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面上提供了新的方向和數(shù)據(jù)參考。同時(shí)能滿足通用航空器和民用大飛機(jī)對(duì)于高升阻小翼展的要求，對(duì)于應(yīng)用在無(wú)人機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)上也提供很好的方向。

1 翼型設(shè)計(jì)

目前常用的翼型參數(shù)化方法有形函數(shù)線性擾動(dòng)法、特征參數(shù)描述法、正交基函數(shù)法和CST方法。常規(guī)翼型都可以近似看作有無(wú)數(shù)個(gè)該翼型的內(nèi)切圓緊密排列在一起，這些內(nèi)切圓與上下翼面切點(diǎn)的連線剛好分別構(gòu)成翼型的上下表面。

綜合考慮文章采用內(nèi)切圓表示法。通過(guò)對(duì)Profili翼型軟件翼型庫(kù)的篩選，確定適合的翼型，導(dǎo)入到CAD進(jìn)行修改，確定三個(gè)疊加翼型組合成內(nèi)附翼其間距為6cm，進(jìn)行CFD計(jì)算仿真。

2 內(nèi)附翼二維模型計(jì)算研究

（1）控制方程及計(jì)算。對(duì)于低速定常不可壓粘性繞流場(chǎng)，利用CFD-FLUENT軟件，求解雷諾平均N-S方程，并采用S-A湍流補(bǔ)充方程。Gambit網(wǎng)格劃分工具，運(yùn)用分區(qū)網(wǎng)格生成技術(shù)，控制網(wǎng)格加密和網(wǎng)格數(shù)量。在二維翼型近物面流域中，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并加密，其它的流域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用simple算法，邊界條件類型為速度入口、壓力出口和固體壁面。來(lái)流速度取為20m/s，弦長(zhǎng)1m,標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣條件，進(jìn)行計(jì)算。分別計(jì)算了中間翼型距離上翼型距離H為1.5、3、4.5、6、7.5、9、10.5cm 的情況，取攻角為 0°、4°和 8°，共計(jì)21種參數(shù)組合工況，并且計(jì)算0°迎角下單個(gè)翼型和大間距的內(nèi)附翼的情況，以探索其氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。

（2）結(jié)果與分析。如圖1內(nèi)附翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)都隨著中間翼型距離上翼型距離H增大而增大，當(dāng)中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時(shí)，升力系數(shù)和阻力系都最大。由表1知其升阻比隨間距波動(dòng)但變化較小，而中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時(shí)的升阻比最大。所以當(dāng)中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時(shí)內(nèi)附翼的氣動(dòng)特性最好。

圖1 0°時(shí)內(nèi)附翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)與中間翼型距離上翼型間距關(guān)系

表1 時(shí)內(nèi)附翼的升阻比與中間翼型距離上翼型間距關(guān)系

3 模型的設(shè)計(jì)制作與試飛

根據(jù)以上計(jì)算機(jī)CFD仿真結(jié)果選擇合適內(nèi)附翼參數(shù)，根據(jù)任務(wù)等綜合計(jì)算，最終設(shè)計(jì)參數(shù)，翼展：0.8m；弦長(zhǎng)0.2m；中間翼型距離上翼型間距0.06m；機(jī)身長(zhǎng)0.8m。

使用Profili翼型軟件得到翼型數(shù)據(jù)，之后在CATIA中建立三維模型，最后導(dǎo)入到CAD二維修改建模軟件，繪制得到整機(jī)的二維圖，并制作。

經(jīng)過(guò)試飛試驗(yàn)，測(cè)得模型飛機(jī)的起飛滑跑距離為10 m,最大平飛速度為30m/s,最大爬升率為1m/s。圖2為無(wú)人機(jī)模型試飛照片。

圖2 無(wú)人機(jī)模型CAD圖和試飛照片

4 研究結(jié)論

（1）內(nèi)附翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)都隨著中間翼型距離上翼型距離H增大而增大，當(dāng)中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時(shí)，升力系數(shù)和阻力系都最大，且其升阻比最大。升阻比隨中間翼型距離上翼型距離H波動(dòng)但變化較小。

（2）迎角增大內(nèi)附翼升力系數(shù)有較大的改變。當(dāng)迎角為8°時(shí)升力系數(shù)是0°是兩倍多。

（3）通過(guò)飛行試驗(yàn)說(shuō)明內(nèi)附翼無(wú)人機(jī)飛行性能優(yōu)越。

［1］陳學(xué)孔.低雷諾數(shù)翼型氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［D］.北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

［2］李進(jìn)良，胡仁喜.精通FLUENT6.3流場(chǎng)分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

許雪梅，女，江蘇高郵人，大學(xué)本科，主要研究方向：車輛設(shè)計(jì)。