魏浩格*，溫 慶，王艷艷

（中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司研發(fā)中心，廣東 珠海）

引言

襟翼是機(jī)翼上用來改善氣流狀態(tài)和增加升力的裝置。在飛機(jī)起飛、著陸、爬升或低速機(jī)動(dòng)飛行階段，偏轉(zhuǎn)襟翼增加機(jī)翼剖面彎曲度及有效迎角[1]，增加機(jī)翼最大升力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)增大升力的作用。渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（簡稱渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)）以其功率大、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好、壽命長、費(fèi)用低[1]的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代軍民用飛機(jī)中。

然而螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起氣流擾動(dòng)，對(duì)飛機(jī)位于螺旋槳之后并處于滑流之中的部件產(chǎn)生滑流效應(yīng)[2]，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)滑流影響開展了大量研究工作，左歲寒[3]、張小莉[4]等人采用準(zhǔn)定常N-S 方法對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的滑流影響進(jìn)行了分析。

本文以某4 發(fā)螺旋槳飛機(jī)為例，通過工程算法對(duì)渦槳飛機(jī)考慮滑流影響的后緣襟翼載荷進(jìn)行計(jì)算，將考慮滑流噴流影響的CFD 仿真計(jì)算結(jié)果與工程算法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出：采用工程算法可較好反映渦槳飛機(jī)襟翼載荷情況，滿足工程使用要求。

1 滑流效應(yīng)工程算法

為了實(shí)現(xiàn)高效工程評(píng)估的目的，簡化螺旋槳對(duì)氣流擾動(dòng)的影響效果，采用等效盤模型的無厚度圓盤代替真實(shí)螺旋槳[5]，獲得近似真實(shí)螺旋槳的滑流效果，能夠快速評(píng)估襟翼等部件滑流影響效果及規(guī)律。

螺旋槳通過增加流經(jīng)螺旋槳槳盤區(qū)域流管的動(dòng)量產(chǎn)生推力，可以比擬為翼面產(chǎn)生升力[2]?；趧?dòng)量定理，采用一個(gè)等效盤代表螺旋槳建立螺旋槳滑流簡化模型。模型考慮滑流收縮，不計(jì)滑流旋轉(zhuǎn)，假定在滑流各截面軸向速度相等。

被滑流覆蓋的襟翼部分產(chǎn)生更高的動(dòng)壓，從而比鄰近襟翼部分產(chǎn)生更大的升力。如圖1 所示。

圖1 滑流覆蓋的襟翼部分動(dòng)壓增加

槳盤前方遠(yuǎn)處動(dòng)壓：

槳盤后方被滑流覆蓋的襟翼部分動(dòng)壓：

動(dòng)量定理描述如下：

式（3）中：T 為螺旋槳拉力，N；

則式（3）可轉(zhuǎn)換為：

槳盤平面處相對(duì)遠(yuǎn)前方來流的速度增量系數(shù)為：

被滑流覆蓋的襟翼部分相對(duì)遠(yuǎn)前方來流速壓比為：

滑流收縮截面面積與螺旋槳槳盤面積比為：

收縮截面直徑與槳盤直徑比為：

本文以4 發(fā)渦輪螺旋槳飛機(jī)為例，滑流對(duì)襟翼載荷的影響可假定為使其收縮截面覆蓋的襟翼部分的速壓從原始的Q 增至Q'，則單側(cè)（兩發(fā)）襟翼載荷的滑流修正系數(shù)可得：

代入式（6），式（10）可轉(zhuǎn)化為：

將式(11)得到的滑流修正系數(shù)KS乘以襟翼無動(dòng)力情況下載荷即可得到考慮滑流影響的襟翼載荷，將滑流覆蓋襟翼部分（收縮截面直徑D'）內(nèi)的襟翼壓力分布乘以速壓變化比即可得到考慮滑流的襟翼壓力分布。

2 計(jì)算輸入

2.1 計(jì)算對(duì)象

本文研究飛機(jī)構(gòu)型為4 發(fā)渦槳飛機(jī)，兩側(cè)各兩個(gè)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，圖2 為襟翼偏轉(zhuǎn)后飛機(jī)外形示意。

圖2 飛機(jī)外形示意

X 軸沿飛機(jī)水平基準(zhǔn)線，逆航向?yàn)檎?；Y 軸垂直于機(jī)身對(duì)稱面，逆航向向左為正；Z 軸在飛機(jī)對(duì)稱面內(nèi)垂直于橫軸指向上方。

襟翼形式為定軸固定子翼雙縫襟翼，在展向某截面處分為內(nèi)、外襟翼，共4 片襟翼，圖3 為襟翼形式切面示意。

圖3 襟翼形式示意

2.2 計(jì)算工況

通過工程算法計(jì)算考慮滑流襟翼載荷，比較篩選出的襟翼載荷嚴(yán)重工況如表1 所示。

表1 嚴(yán)重工況

采用CFD 對(duì)嚴(yán)重工況進(jìn)行考慮滑流、噴流計(jì)算，用以對(duì)比工程算法結(jié)果。CFD 驗(yàn)證計(jì)算使用的網(wǎng)格如圖4 所示。

圖4 襟翼局部網(wǎng)格

3 計(jì)算結(jié)果及比較分析

工程算法計(jì)算襟翼載荷以風(fēng)洞試驗(yàn)的壓力分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算無動(dòng)力情況的氣動(dòng)力分布，對(duì)于襟翼而言，氣動(dòng)分布載荷主要是指：

（1） 總壓力中心(壓心)位置。

（2） 展向力分布。

（3） 剖面壓力中心。

（4） 剖面弦向載荷分布。

根據(jù)風(fēng)洞得到的飛機(jī)表面壓力分布（Cp）數(shù)據(jù)庫，通過積分，計(jì)算襟翼的氣動(dòng)分布載荷，再按前文工程計(jì)算方法計(jì)算考慮滑流的滑流修正系數(shù)。另外，工程算法計(jì)算時(shí)認(rèn)為左右襟翼載荷對(duì)稱。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)全機(jī)考慮滑流及噴流進(jìn)行仿真計(jì)算，提取兩側(cè)襟翼CFD 計(jì)算氣動(dòng)壓力分布數(shù)據(jù)，通過積分計(jì)算載荷情況。

3.1 展向力分布對(duì)比

將工程算法結(jié)果與基于CFD 方法考慮滑流、噴流影響仿真后計(jì)算所得的展向載荷分布結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5- 圖8 所示。

圖5 主內(nèi)襟翼氣動(dòng)力比較

圖6 主外襟翼氣動(dòng)力比較

圖7 子內(nèi)襟翼氣動(dòng)力比較

圖8 子外襟翼氣動(dòng)力比較

從圖氣動(dòng)力分布可以看出，在螺旋槳后方，受到滑流影響的襟翼站位區(qū)域，氣動(dòng)力相對(duì)較大，在邊緣區(qū)域的氣動(dòng)力較小。

3.2 工程算法與仿真對(duì)比

將滑流工程算法與CFD 計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。如圖9 所示為工程算法與仿真計(jì)算氣動(dòng)力對(duì)比，分別為計(jì)算狀態(tài)序號(hào)1 和2 的工程算法與CFD 計(jì)算右、左襟翼的主內(nèi)、主外、子內(nèi)、子外襟翼及合力結(jié)果。

圖9 工程算法與CFD 氣動(dòng)力對(duì)比

如表2 所示，為對(duì)應(yīng)圖9 的CFD 與工程算法氣動(dòng)力的比值。

表2 CFD 與工程算法比值

從表2 可以看出，工程算法計(jì)算的氣動(dòng)力合力均大于采用CFD 計(jì)算，說明工程算法所算氣動(dòng)力可覆蓋CFD 結(jié)果。

如圖10 所示為工程算法與仿真計(jì)算鉸鏈力矩對(duì)比，分別為計(jì)算狀態(tài)序號(hào)1 和2 的工程算法與CFD 計(jì)算右、左襟翼的主內(nèi)、主外、子內(nèi)、子外襟翼及合力矩結(jié)果。

圖10 工程算法與CFD 力矩對(duì)比

如表3 所示，為對(duì)應(yīng)圖10 的CFD 與工程算法鉸鏈力矩的比值。

表3 CFD 與工程算法比值

從表3 可以看出，工程算法計(jì)算的鉸鏈力矩小于CFD 計(jì)算結(jié)果，但考慮到CFD 中補(bǔ)充了噴流的影響，工程算法已經(jīng)較好的反映出襟翼載荷情況，基本滿足工程需求。

4 結(jié)論

本文使用風(fēng)洞試驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)通過考慮螺旋槳滑流影響的工程算法計(jì)算襟翼載荷，篩選出嚴(yán)重工況?；趪?yán)重工況采用CFD 方法考慮滑流、噴流影響因素仿真，得到的飛機(jī)襟翼表面壓力分布（Cp），通過積分，計(jì)算得到兩側(cè)襟翼的氣動(dòng)載荷。將仿真結(jié)果與考慮滑流工程算法的襟翼載荷嚴(yán)重情況進(jìn)行對(duì)比，合力最大偏差為仿真結(jié)果較工程算法小4.8%，合力矩最大偏差為仿真結(jié)果較工程算法大5.4%。

采用工程算法更加便捷高效，可基本滿足工程需求，較好的反映襟翼載荷情況，但在后續(xù)設(shè)計(jì)計(jì)算中，仍需通過CFD 仿真計(jì)算、試驗(yàn)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)。