唐松祥，李杰，張恒，牛笑天

西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072

機(jī)翼層流減阻可有效地提高機(jī)翼的升阻特性，有利于污染物排放的控制、化石燃料的消耗以及氣動(dòng)噪聲的控制，符合當(dāng)前綠色航空發(fā)展的大背景需求。對(duì)于目前的大型民用飛機(jī)，飛機(jī)表面的摩擦阻力甚至可達(dá)總阻力的50%。相比于湍流邊界層，層流邊界層的厚度更薄，能量耗散更小，有研究指出，當(dāng)雷諾數(shù)保持相同時(shí)，層流邊界層的摩擦阻力可達(dá)到湍流邊界層的1/10[1]。

由于層流技術(shù)在民用飛機(jī)上存在諸多優(yōu)勢(shì)，而且當(dāng)代技術(shù)和設(shè)備基礎(chǔ)也較20世紀(jì)有了較大的提升，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)包括自然層流技術(shù)、層流控制技術(shù),以及綜合前兩者優(yōu)勢(shì)的混合層流技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究[2-6]。對(duì)于層流控制部分，目前已有諸多思路與手段來(lái)對(duì)層流區(qū)進(jìn)行優(yōu)化[7-11]。例如劉沛清等[4]利用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)翼型表面分離泡的控制進(jìn)行了研究；王菲等[7]利用升華法研究了不同前緣吸氣量對(duì)層流區(qū)變化規(guī)律的影響；Chernyshev等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了介質(zhì)阻擋放電方法在層流區(qū)控制上的應(yīng)用。

自然層流技術(shù)在系統(tǒng)復(fù)雜性方面最為簡(jiǎn)單，就機(jī)翼而言，應(yīng)用自然層流技術(shù)時(shí)，主要通過(guò)控制機(jī)翼的壓力梯度等流動(dòng)參數(shù)來(lái)達(dá)到增大層流區(qū)的效果。Han等[11]通過(guò)代理模型對(duì)跨聲速條件下的自然層流翼型進(jìn)行優(yōu)化；Xu等[12]結(jié)合試驗(yàn)與仿真探索了超臨界層流翼型的邊界層特性，以此為基礎(chǔ)歸納出對(duì)層流翼型設(shè)計(jì)的相關(guān)思路；馬曉永等[13]研究了多種優(yōu)化方法在自然層流機(jī)翼設(shè)計(jì)上的應(yīng)用;Cella等[14]結(jié)合一跨聲速層流翼型進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)思路的準(zhǔn)確性；張彥軍[15]利用風(fēng)洞試驗(yàn),分析了超自然層流機(jī)翼的轉(zhuǎn)捩特性與來(lái)流參考的變化規(guī)律,總結(jié)了該類機(jī)翼設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素;許朕銘等[16]對(duì)一前掠層流機(jī)翼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)其設(shè)計(jì)，該機(jī)翼在跨聲速條件下的層流區(qū)可達(dá)到50%～60%。

目前,層流技術(shù)已有了一定的基礎(chǔ)，從上述學(xué)者的研究工作來(lái)看，試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展為層流技術(shù)研究工作的開展提供了良好的技術(shù)支持，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)的翼型即機(jī)翼的優(yōu)化也表現(xiàn)出了足夠的合理性[11-12,16-17]。得益于轉(zhuǎn)捩模型的發(fā)展[18-19]，層流轉(zhuǎn)捩的數(shù)值模擬在近年來(lái)逐漸得到廣泛的應(yīng)用,甚至有不少學(xué)者為精確解析分離流場(chǎng)的渦系結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)捩模型耦合于分離渦模擬(Detached Eddy Simulation, DES)框架[20-23]，而從其對(duì)轉(zhuǎn)捩過(guò)程的預(yù)測(cè)來(lái)看，基于雷諾平均Navier-Stokes方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations, RANS)框架的轉(zhuǎn)捩模型可準(zhǔn)確的模擬轉(zhuǎn)捩過(guò)程。

結(jié)合目前層流技術(shù)的研究手段，利用自然層流對(duì)某特殊布局層流驗(yàn)證機(jī)的高速巡航氣動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該層流驗(yàn)證機(jī)為國(guó)內(nèi)首次通過(guò)設(shè)計(jì)制造的一架專門的驗(yàn)證機(jī)，其升力主要由內(nèi)、外翼段2部分提供。因而在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要合理地考慮外翼段、內(nèi)翼段及機(jī)身構(gòu)型上的氣動(dòng)特性匹配。就該層流驗(yàn)證機(jī)的構(gòu)型而言，其中央翼段具有較大的面積，合理設(shè)計(jì)該翼段可為全機(jī)的氣動(dòng)特性提供較大的貢獻(xiàn)。同時(shí)，由于需要兼顧整機(jī)的氣動(dòng)特性，層流驗(yàn)證機(jī)內(nèi)外翼段的氣動(dòng)性能需要相互制約，在高速巡航狀態(tài)下，中央翼段所能提供的升力系數(shù)受到了巡航升力系數(shù)限制，因而中央翼段在保證適當(dāng)?shù)纳ο禂?shù)的同時(shí)，利用自然層流技術(shù)合理地增大層流區(qū)成為了該翼段設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

以高速巡航條件下某特殊布局層流驗(yàn)證機(jī)的氣動(dòng)特性為目標(biāo)，利用數(shù)值分析的手段對(duì)該層流驗(yàn)證機(jī)的中央翼段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，利用風(fēng)雷FL-60風(fēng)洞進(jìn)行試驗(yàn)，以層流原始翼型和某傳統(tǒng)翼型作為基準(zhǔn)翼型進(jìn)行了數(shù)值方法可靠性的驗(yàn)證；其次，利用數(shù)值計(jì)算對(duì)原始層流翼段進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)工作，以拓展該翼型的實(shí)際可用范圍；最后，對(duì)不同中央翼段平移構(gòu)型進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證其對(duì)全機(jī)氣動(dòng)特性的影響，以期為后續(xù)對(duì)全機(jī)力矩特性的優(yōu)化工作提供參考。

1 試驗(yàn)與計(jì)算模型

本文研究對(duì)象為航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的某特殊構(gòu)型層流機(jī)翼技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，該無(wú)人機(jī)采用了創(chuàng)新布局形式，將試驗(yàn)驗(yàn)證段與飛行平臺(tái)較好地結(jié)合，整體布局方案具備性價(jià)比高、飛行試驗(yàn)效率高的特點(diǎn)，旨在驗(yàn)證不同飛行高度和馬赫數(shù)時(shí)層流在真實(shí)大氣飛行條件下的流動(dòng)狀態(tài)和減阻效果，是一項(xiàng)具有開創(chuàng)性意義的工作。層流驗(yàn)證機(jī)采用了雙機(jī)身、雙垂尾的布局形式，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量為4發(fā)，圖1所示為該層流驗(yàn)證機(jī)的數(shù)模，其幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 層流驗(yàn)證機(jī)相關(guān)參數(shù)

圖1 層流驗(yàn)證機(jī)全機(jī)模型

利用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)對(duì)層流驗(yàn)證機(jī)的中央翼段進(jìn)行優(yōu)化，以提高全機(jī)的高速巡航氣動(dòng)特性;利用高速層流風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，其中試驗(yàn)翼型為優(yōu)化前的層流原始翼型與某傳統(tǒng)翼型。

高速層流試驗(yàn)風(fēng)洞為航空工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)研究院的FL-60風(fēng)洞，試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)為1∶7的縮比模型，試驗(yàn)雷諾數(shù)大約在800萬(wàn)的量級(jí)。圖2給出了轉(zhuǎn)捩位置驗(yàn)證試驗(yàn)的示意圖。

圖2 層流驗(yàn)證機(jī)高速風(fēng)洞試驗(yàn)

考慮到中央翼段的流態(tài)幾乎不受外翼段及平

垂尾的影響，故在轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)與所對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型驗(yàn)證計(jì)算中，均采用圖3(a)所示的中央翼段構(gòu)型。試驗(yàn)與驗(yàn)證計(jì)算中，中央翼段所采用的翼型可參見(jiàn)圖3(b)，其中x、y分別表示弦向與厚度方向距前緣點(diǎn)的距離，c表示弦長(zhǎng)。

圖3 中央翼段翼型與數(shù)模

中央翼段網(wǎng)格具體參數(shù)可參見(jiàn)表2,分布如圖4所示。針對(duì)中央翼段平移計(jì)算，本文采用整機(jī)半模網(wǎng)格，且中央翼段網(wǎng)格分布與中央翼段計(jì)算網(wǎng)格相同。

表2 翼型網(wǎng)格相關(guān)參數(shù)

圖4 中央翼段網(wǎng)格

2 計(jì)算方法

采用美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的CFL3D求解器進(jìn)行計(jì)算，該求解器采用格心格式的有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散。對(duì)于空間離散，無(wú)黏項(xiàng)采用Roe平均通量差分分裂格式(Flux Differences Splitting,FDS)，單元界面上差值模板為三階MUSCL(Monotonic Upstream-Centered Scheme for Conversation Laws)格式，采用min-mod限制器防止在間斷處出現(xiàn)數(shù)值震蕩。黏性項(xiàng)采用中心差分格式。時(shí)間推進(jìn)方式采用近似因子分解(Approximate Factorization,AF)隱式時(shí)間推進(jìn)算法。

計(jì)算采用的湍流模型為基于k-ωSST(Shear Stress Transport)模型的四方程γ-Reθ轉(zhuǎn)捩模型，該模型利用參數(shù)γ來(lái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)兩方程k-ωSST模型中湍動(dòng)能方程的生成項(xiàng)與破壞項(xiàng)進(jìn)行修正來(lái)模擬轉(zhuǎn)捩過(guò)程。式(1)～式(3)為標(biāo)準(zhǔn)形式的兩方程k-ωSST模型[24]:

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為密度；k為湍動(dòng)能；ω為比湍流耗散率；uj為各方向速度；xj為空間坐標(biāo)；τij為切向應(yīng)力張量；Sij為應(yīng)變率張量；μ為動(dòng)力黏度；μt、νt為湍流黏度；Ω為渦量；β*、a1、σω2為模型常數(shù)，分別取0.09、0.31、0.856；F1、F2為模型中的混合函數(shù)；γ、β、σk、σω為模型參量，通過(guò)混合函數(shù)F1計(jì)算[24]。

以兩方程k-ωSST模型為基礎(chǔ)，四方程轉(zhuǎn)捩模型添加間歇因子輸運(yùn)方程和動(dòng)量厚度雷諾數(shù)輸運(yùn)方程，利用作用于湍動(dòng)能方程的生成項(xiàng)與破壞項(xiàng)上的間歇因子γ實(shí)現(xiàn)模型結(jié)合[25]。

修改后的湍動(dòng)能方程為

min(max(γeff,0.1),1.0)ρβ*ωk+

(4)

式中:γeff=max(γ,γsep)；γsep為分離區(qū)間歇因子[25]；γ為間歇因子，其輸運(yùn)方程為

(5)

式中：Pγ為生成項(xiàng)；Eγ破壞項(xiàng);σf為常數(shù)，取值為1.0。Pγ、Eγ的計(jì)算公式分別為

Pγ=FlengthCa1ρS(γFonset)0.5(1-Ce1γ)

(6)

Eγ=Ca2ρΩFturb(Ce2γ-1)

(7)

(8)

(9)

(10)

3 結(jié)果與分析

針對(duì)高速巡航狀態(tài)，對(duì)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。高速巡航條件，馬赫數(shù)Ma=0.7，側(cè)滑角β=0°，雷諾數(shù)Re=800萬(wàn)(基于試驗(yàn)翼段模型弦長(zhǎng))，湍流強(qiáng)度Tu=0.6%，湍流黏性比為10。改進(jìn)翼型計(jì)算條件與上述條件相同。中央翼段平移計(jì)算采用原始層流翼型，平移量基于真實(shí)模型，計(jì)算迎角α=1.5°，Ma=0.7，β=0°，Re=1 100萬(wàn)，Tu=0.4%，湍流黏性比為10。

圖5所示分別為高速巡航條件下原始層流翼型迎角α=0°,1°,2°時(shí)紅外成像測(cè)得上翼面的流場(chǎng)圖像，圖中較為明亮的區(qū)域?yàn)閷恿鲄^(qū)，湍流區(qū)的亮度相對(duì)較暗，而圖中各個(gè)迎角所呈現(xiàn)出的轉(zhuǎn)捩區(qū)具有鋸齒狀的特征，而理想狀態(tài)的轉(zhuǎn)捩區(qū)沿展向過(guò)渡應(yīng)當(dāng)平緩，出現(xiàn)該問(wèn)題的原因考慮為翼段表面涂層不平整，或是風(fēng)洞來(lái)流具有一定的污染物，使得翼面提前誘發(fā)了轉(zhuǎn)捩。實(shí)際轉(zhuǎn)捩位置可認(rèn)定為層流區(qū)所能達(dá)到較大且沿展向較平整的弦向位置。根據(jù)圖中所示的結(jié)果來(lái)看，迎角為0°、1時(shí)°轉(zhuǎn)捩位置變化較小，而迎角為2°時(shí)，轉(zhuǎn)捩提前程度較大。

圖6所示為高速巡航條件下原始層流翼型上翼面計(jì)算表面摩阻系數(shù)云圖，由于層流區(qū)的摩阻較小，湍流區(qū)摩阻較大，因而轉(zhuǎn)捩位置在圖中可較為容易地判斷。對(duì)比圖中迎角為0°～2°時(shí)的轉(zhuǎn)捩位置可知，原始層流翼型在巡航迎角附近，轉(zhuǎn)捩位置變化較小。與圖5所示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，迎角為0°、1°時(shí)下計(jì)算結(jié)果所呈現(xiàn)出的規(guī)律也與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，而迎角為2°時(shí)，計(jì)算所預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)捩位置較試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果略大。

圖5 原始層流翼型轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)結(jié)果

圖6 原始層流翼型表面摩阻系數(shù)(Cf)分布云圖

為便于分析，表3所示為高速巡航條件下各翼型在不同迎角時(shí)試驗(yàn)轉(zhuǎn)捩位置測(cè)量范圍與計(jì)算轉(zhuǎn)捩位置對(duì)比。從表中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于原始層流翼型，α=0°,1°時(shí)的試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果匹配程度良好；而α=2°時(shí)試驗(yàn)轉(zhuǎn)捩位置提前了約10%弦長(zhǎng)c距離。α=2°時(shí)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的誤差來(lái)源為該試驗(yàn)點(diǎn)受來(lái)流污染較為嚴(yán)重，測(cè)量的轉(zhuǎn)捩區(qū)較為模糊，試驗(yàn)轉(zhuǎn)捩位置存在一定爭(zhēng)議，因而計(jì)算結(jié)果同樣存在一定的參考價(jià)值。

圖7、圖8分別為某傳統(tǒng)翼型不同迎角下紅外成像測(cè)得上翼面的流場(chǎng)圖像和計(jì)算上翼面的摩阻分布云圖。轉(zhuǎn)捩位置對(duì)比結(jié)果可參見(jiàn)表3。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看，α=0°時(shí)計(jì)算層流區(qū)位置較大，而隨著迎角至巡航迎角附近，計(jì)算與試驗(yàn)誤差也減小到較為合理的范圍。

表3 不同翼型試驗(yàn)與計(jì)算轉(zhuǎn)捩位置對(duì)比

圖7 某傳統(tǒng)翼型轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)結(jié)果

圖8 某傳統(tǒng)翼型表面摩阻系數(shù)分布云圖

圖9給出了α=1°時(shí)原始層流翼型和某傳統(tǒng)翼型對(duì)稱面位置的上翼面PSP(Pressure-Sensitive Paint)測(cè)量壓力系數(shù)分布曲線。從圖中可知，2個(gè)翼型的壓力系數(shù)分布試驗(yàn)與計(jì)算均呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，但試驗(yàn)壓力系數(shù)在前緣附近均略高，而其他位置均略低于計(jì)算值，究其原因?yàn)樵囼?yàn)加工的翼型厚度與計(jì)算模型厚度存在一定差異，翼面涂層也可能存在一定的影響。

圖9 α=1°時(shí)試驗(yàn)與計(jì)算壓力系數(shù)Cp分布對(duì)比

通過(guò)對(duì)比原始層流翼型與某傳統(tǒng)翼型的轉(zhuǎn)捩位置和高速巡航迎角附近的壓力分布可知，計(jì)算模型對(duì)高速巡航狀態(tài)的氣動(dòng)特性預(yù)測(cè)具有較好的合理性。

為了增加巡航狀態(tài)的升阻特性，采用增加翼型后緣彎度從而增大后加載的方式，可在保證上翼面層流區(qū)的條件下提高升力系數(shù)，提高同升力系數(shù)下的升阻比。基于該思路，通過(guò)后加載的方式對(duì)原始層流翼型進(jìn)行優(yōu)化，提出了2種優(yōu)化翼型，具體優(yōu)化翼型可參見(jiàn)圖10。相較于原始層流翼型，改進(jìn)翼型1的后加載較小，前緣略鈍，而改進(jìn)翼型2的后加載較大，僅在原始層流翼型的基礎(chǔ)上修改了下翼面。

圖10 改進(jìn)翼型與原始翼型對(duì)比

圖11、圖12分別為高速巡航條件下不同迎角的上翼面表面摩阻分布云圖。對(duì)比圖6的計(jì)算結(jié)果可以看出，α=2°時(shí)，改進(jìn)翼型1層流區(qū)在接近機(jī)身的位置過(guò)渡變得更平緩，層流區(qū)有一定程度的減小，究其原因?yàn)楦倪M(jìn)翼型1在前緣附近略厚于原始翼型、改進(jìn)翼型2，導(dǎo)致前緣氣流加速略快，使層流區(qū)轉(zhuǎn)捩提前。但總體來(lái)看，2種改進(jìn)翼型均可保持中央翼段的層流區(qū)。

圖11 改進(jìn)翼型1表面摩阻系數(shù)分布云圖

圖12 改進(jìn)翼型2表面摩阻系數(shù)分布云圖

表4所示為改進(jìn)翼型后中央翼段上翼面在不同迎角下的轉(zhuǎn)捩位置，由表可知，改進(jìn)翼型1的轉(zhuǎn)捩位置略微提前，而改進(jìn)翼型2對(duì)轉(zhuǎn)捩位置不存在影響，總體來(lái)看，2種改進(jìn)翼型均具有提升中央翼段升阻特性的潛質(zhì)。

表4 不同翼型轉(zhuǎn)捩位置對(duì)比

圖13所示為高速巡航條件下2種改進(jìn)翼型與原始層流翼型在不同迎角下中央翼段對(duì)稱面處壓力系數(shù)分布的對(duì)比。從圖中可以看出，在不同迎角下，弦向位置在0.6c后，原始層流翼型上下翼面的壓力系數(shù)幾乎未發(fā)生變化。而對(duì)于采用后加載的改進(jìn)翼型，其下翼面的壓力系數(shù)分布變化明顯，尤其在接近后緣的區(qū)域，隨著后加載的增大，下翼面的正壓區(qū)域往翼型中段延伸，但下翼面出現(xiàn)了一負(fù)壓峰值，同樣隨著后加載的增大而向翼型中段移動(dòng)。此外，由于改進(jìn)翼型1在前緣處鈍度略大，因而其在前緣附近的壓力系數(shù)略大于原始翼型和改進(jìn)翼型2。

圖13 高速巡航條件下壓力系數(shù)分布對(duì)比

圖14、圖15為高速巡航條件下采用不同翼型時(shí)中央翼段的升力曲線和升阻極曲線圖，其中CL為升力系數(shù),CD為阻力系數(shù)。從升力曲線可以看出，增大后加載后，巡航迎角附近的升力系數(shù)有著較為明顯的提升。其中，采用改進(jìn)翼型1后，在0°～4°迎角范圍內(nèi)基本能夠提供0.15～0.20的升力系數(shù)增量，而采用改進(jìn)翼型2后，升力系數(shù)增加了0.25～0.30，從升阻極曲線可更直觀地看出增大后加載后中央翼段在巡航迎角附近升阻特性的提升。

圖14 高速巡航條件下中央翼段升力系數(shù)CL曲線

圖15 高速巡航條件下中央翼段升阻極曲線

圖16所示為高速巡航條件下采用不同翼型時(shí)中央翼段的俯仰力矩系數(shù)曲(Cm)線對(duì)比為。從圖中可以看出，后加載后的翼型所提供的低頭力矩有一定的增加，對(duì)于不同升力系數(shù)，改進(jìn)翼型1最大增加了約0.035的低頭力矩，而改進(jìn)翼型2最大增加了約0.060的低頭力矩，但該增量對(duì)平尾配平影響不大。并且，后加載對(duì)翼段的縱向安定度不存在較大的影響。

圖16 高速巡航條件下中央翼段俯仰力矩系數(shù)曲線

由上述結(jié)果可以看出，對(duì)于巡航飛行時(shí)的層流驗(yàn)證機(jī)，可利用改進(jìn)翼型在相同迎角下的升力系數(shù)增量來(lái)減小實(shí)際的巡航迎角，達(dá)到等效升力系數(shù)下增加翼面層流區(qū)的目的。圖17所示為升力系數(shù)0.4時(shí)原始層流翼型、改進(jìn)翼型1、改進(jìn)翼型2的表面摩阻分布云圖，其中，各翼型所對(duì)應(yīng)的計(jì)算迎角分別為2.42°、1.04°、0.45°，轉(zhuǎn)捩位置分別為45.8%c、57.4%c、60.5%c。相比于原始翼型，改進(jìn)翼型1層流區(qū)長(zhǎng)度增加了11.6%c，改進(jìn)翼型2的層流區(qū)長(zhǎng)度增加了14.7%c。

圖17 不同翼段在升力系數(shù)為0.4時(shí)的表面摩阻分布云圖

以上層流特性計(jì)算結(jié)果表明,在相同迎角情形下,采用改進(jìn)翼型1的層流翼段上表面層流區(qū)長(zhǎng)度較原始層流翼型有所減少，但在相同升力系數(shù)下對(duì)比時(shí)層流區(qū)長(zhǎng)度則有一定程度的增加。改進(jìn)翼型1通過(guò)翼型后加載修形實(shí)現(xiàn)了在同等升力系數(shù)下，迎角減小1.4°左右，迎角的降低使得在同樣升力系數(shù)情況下翼段上表面擁有更好的層流流動(dòng)特性。相比于改進(jìn)翼型1，改進(jìn)翼型2進(jìn)一步增加了翼型后緣的彎度，實(shí)現(xiàn)了在同等升力系數(shù)下，迎角減小約2°，改進(jìn)翼段在巡航迎角附近備更好的層流特性。

圖18所示為α=1.5°時(shí)中央翼段不同平移構(gòu)型上翼面的表面摩阻分布云圖。從圖中可以看出，不同平移構(gòu)型在同樣的計(jì)算狀態(tài)下，中央翼段表面層流區(qū)長(zhǎng)度變化不大，構(gòu)型的變化對(duì)其層流特性的影響相對(duì)較小。

圖18 α=1.5°時(shí)不同中央翼段平移構(gòu)型表面摩阻分布云圖

表5所示為不同平移構(gòu)型的全機(jī)氣動(dòng)參數(shù)。從表中可以看出，中央翼段的平移僅對(duì)力矩系數(shù)產(chǎn)生一定影響，而未對(duì)全機(jī)的升阻特性產(chǎn)生較大影響，因而從中央翼段的角度來(lái)優(yōu)化全機(jī)升阻特性時(shí)，從翼型的角度來(lái)增加同等升力系數(shù)的層流區(qū)更為合理。

表5 不同平移構(gòu)型全機(jī)氣動(dòng)參數(shù)

圖19所示為不同平移構(gòu)型的力矩系數(shù)，翼段向后平移后，不同迎角下的低頭力矩增加，平移100、150、200 mm后，0°～4°迎角范圍內(nèi)最大低頭力矩增量分別約為0.02、0.03、0.04，并且縱向安定度隨著平移量的增大而略微增大。

圖19 不同平移構(gòu)型的俯仰力矩系數(shù)對(duì)比

由以上針中央翼段平移構(gòu)型的分析可知，平移中央翼段有效地保持上翼面的層流特性，有利于后續(xù)基于中央翼段平移來(lái)對(duì)全機(jī)力矩特性進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié) 論

為提高層流驗(yàn)證機(jī)在高速巡航狀態(tài)下的升阻特性，本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)中央翼段進(jìn)行優(yōu)化，首先通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)原始層流翼型和某傳統(tǒng)翼型轉(zhuǎn)捩位置和近巡航迎角的上翼面壓力分布對(duì)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在保證計(jì)算的準(zhǔn)確性后，通過(guò)對(duì)翼型和翼段位置2方面對(duì)層流驗(yàn)證機(jī)的升阻特性進(jìn)行優(yōu)化分析，并得出了如下結(jié)論：

1) 在高速巡航狀態(tài)的驗(yàn)證中，計(jì)算模型所預(yù)測(cè)的原始層流翼型轉(zhuǎn)捩位置在迎角α=0°,1°時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性。而在某傳統(tǒng)翼型的試驗(yàn)對(duì)比中，α=0°時(shí)計(jì)算與試驗(yàn)轉(zhuǎn)捩位置差異較大，而在α=1°,2°時(shí)，計(jì)算轉(zhuǎn)捩位置與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。同時(shí)，計(jì)算壓力系數(shù)具有與試驗(yàn)結(jié)果匹配較好的趨勢(shì)，計(jì)算模型在高速巡航迎角附近具有較為合理的準(zhǔn)確性。

2) 利用后緣增加彎度而增大后加載的方式，提出了2種層流翼型改進(jìn)方案，在保持上翼面層流區(qū)的前提下提高升力系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)同等升力系數(shù)下迎角減小從而增加層流區(qū)的目的。改進(jìn)翼型1將巡航迎角減小約1.4°，而后加載更大的改進(jìn)翼型2更是將巡航迎角減小約2°，具備更好的層流特性。

3) 針對(duì)中央翼段的位置，對(duì)比平移量100、150、200 mm下上翼面層流區(qū)的分布情況，并從表面摩阻分布云圖中得出結(jié)論為翼段平移對(duì)中央翼段層流區(qū)的影響較小。通過(guò)對(duì)比不同翼段平移構(gòu)型在不同迎角下的全機(jī)升阻特性，發(fā)現(xiàn)翼段平移對(duì)全機(jī)升阻特性幾乎不存在影響，但隨著翼段向后的平移量增加，不同迎角下的低頭力矩增加，并且縱向安定度隨著平移量的增大而略微增大，因而，后續(xù)工作可在保持中央翼段層流特性的前提下通過(guò)對(duì)中央翼段進(jìn)行平移來(lái)對(duì)全機(jī)力矩特性進(jìn)行優(yōu)化。