一种新型组合翼地面效应气动特性数值研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:山西省重点研发计划项目()作者简介:亓晓晨()男硕士研究生:.通信作者:张春元()男副教授:.:./.一种新型组合翼地面效应气动特性数值研究亓晓晨张春元王培毅(.中北大学 航空宇航学院 太原.山西通用航空无人机有限公司 山西 晋中)摘要:机翼构型是影响地效飞行器性能的重要参数提出了一种新构型的组合翼使用计算流体力学方法()并选择 湍流模型来模拟机翼表面周围区域的流动结构 通过将具有 翼型的矩形翼的气动特性计算结果与实验结果进行对比验证了数值模拟方法的准确性 对组合翼在地面效应下的气动特性进行数值模拟研究了攻角和离地高度对气动特性的影响并与矩形翼进行了对比分析 结果表明组合翼的气动性能相比矩形翼有一定的提升主要集中在阻力的降低与升阻比的提高上且在低离地高度和大攻角下提升明显组合翼具有更大的湍流动能然而吸力效应小于矩形翼尾缘气流分离的程度更大该研究为高性能地效飞行器机翼构型设计提供了参考依据关键词:地面效应数值模拟机翼构型组合翼气动特性本文引用格式:亓晓晨张春元王培毅.一种新型组合翼地面效应气动特性数值研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.().:引言地面效应是指物体在作近地运动时由于地面的存在使气流在机翼下方产生堵塞在飞机和地面之间产生了一个“高压气垫”地面效应产生小于自由流条件下的翼尖涡流和下洗速度提升了机翼的气动性能增加了机翼的有效展弦比 地面效应的大小与地效机翼的攻角、离地高度、机翼构型等因素有关 地效飞行器的机翼展弦比小升阻比高这是与其他飞行器的区别目前二维翼型在地面效应作用下的气动特性得到了广泛研究 目前对于三维机翼地面效应的研究集中在展向效应、弦向效应、翼尖涡流和端板作用等方面而目前地面效应对不同机翼构型的影响文献较少 通过在风洞中对具有、翼型的机翼进行大量实验发现地面效应在很大程度上影响着机翼周围的流动特性 地面效应下机翼下侧的空气速度降低压力升高从而产生动态气垫 对于非常低的离地间隙压力侧会产生较大的压力即柱塞压力在该压力下升力会得到明显的增强 同时下洗速度降低并导致诱导阻力下降 董辰初等研究了地面效应下折叠式扑翼飞行器的气动特性研究发现离地高度越小扑翼下表面的压力越大但在离地高度过小时扑翼后缘分离涡增大造成压差阻力过大稳定性降低不利于飞行 等通过数值模拟方法对具有 翼型截面且展弦比为 的机翼进行了研究并对机翼在有无端板情况下在地面效应下的气动特性进行了对比分析 研究结果表明:端板阻止了高压空气从下翼表面逸出减少了翼尖涡流的影响提高了地效机翼的气动特性 等研究了地面边界层对组合翼的气动特性和高度静态稳定性的影响进行了数值研究 研究结果表明组合翼的稳定性高于普通矩形翼当离地高度减小时 种机翼的稳定性都降低 等研究了组合翼周围的压力分布和流场结构 结果表明矩形翼上的压力分布比组合翼的压力分布弱且组合翼的尾流区域的速度缺陷更大 等通过双向流固耦合的方法研究了地面效应对柔性仿生翼在振动和滑翔时的气动特性影响分析了柔性仿生翼的受力和变形并对机翼周围的流场结构进行了一定研究本文中采用有限体积法并选择 湍流模型来模拟机翼表面周围区域的流动结构对地面效应下的组合翼与矩形翼的气动特性进行数值模拟 针对不同攻角和离地高度研究了 种构型的机翼在地面效应下的气动特性从主要气动参数、机翼周围气流速度和湍流动能几个角度进行对比分析 计算方法和验证.计算模型本文中采用的机翼为一个矩形翼和一个组合翼 矩形翼和组合翼的模型如图 所示 参考“里海怪物”的特征参数取矩形翼弦长 .翼展 .投影面积为 .组合翼采用“主体 单体”的构型设计由 部分组成:翼段 为矩形翼是组合翼的主体弦长为 .长度为 .翼段 为无反角的梯形翼梢根比为 长度为.翼段 为具有下反角的梯形翼梢根比为.下反角为 长度为.翼段 为具有上反角的梯形翼梢根比为.后掠角为 上反角为 长度为 .组合翼翼展为.投影面积 .矩形翼和组合翼具有相同的 翼型 等已对该翼型在地面效应作用下的气动特性和静态稳定性进行了确认 定义来流速度为./雷诺数约为.离地高度 为翼根后缘点和地面之间的距离图 矩形翼和组合翼模型.数值方法近年来得益于计算机技术的高速发展通过数值模拟兵 器 装 备 工 程 学 报:/./方法求解雷诺平均 方程已在航空航天等领域中的得到广泛运用其控制方程为连续方程:()()动量方程:()()()能量方程:()()()()()其中:、和 分别为空气密度、时间、位置矢量、速度分量、大气压强、广义内能、黏性应力张量分量和热流分量本文中使用 软件进行仿真计算 采用有限体积法对机翼的流体方程求解湍流模型选择 模型 定义机翼周围的湍流是不可压缩流并且是稳态的壁面函数使用标准壁面函数 采用压力关联方程的半隐式方法()对速度和压力进行耦合对流项使用二阶迎风 格式进行空间离散采用二阶迎风格式对湍流动能、动量方程和湍流耗散项进行离散该格式兼顾了精度和效率在实际中应用广泛.网格和数值方法验证本文中使用求解精度高的结构化网格来划分流体域网格 对于计算域的边界条件速度入口距离机翼前缘.压力出口距离机翼前缘.高度为.侧面距离翼尖.示意图如图()所示图 流域及组合翼网格.通过在入口设置检测面确认了流场在机翼周围分布均匀 并且对机翼和附近地面边界进行网格加密处理 流入流入口的速度恒定流出流出口的表压为 机翼、顶部和侧面的边界条件为无滑移固定壁面 使用运动壁面边界条件来模拟地面 为提高计算效率在翼根处使用对称边界 机翼边界层为 层值为适合当前数值模拟中应用的标准壁面函数 组合翼的表面网格如图()所示为减少计算工作量 种机翼翼根处均采用对称平面 该数值模拟方法通过对 进行的空气动力学实验采集的数据进行了验证 运用本文中的计算方法对在速度 ./、离地高度/.、攻角范围 的条件下展弦比为 翼型为 的矩形翼进行仿真计算 得到对比结果如图 所示本文中使用数值模拟和风洞实验结果吻合较好所使用的数值模拟方法升力系数和阻力系数的平均误差为 和 证明了所使用的计算方法的准确性图 数值模拟与实验数据对比.网格无关性验证网格无关性验证是通过在攻角为、离地高度/.和展弦比为 的条件下模拟矩形翼的升力系数来进行的结果如图 所示 对 种不同数目的网格进行模拟 当网格数为.及以上时取得了相近的结果 根据以上结果从精度和效率考虑后文统一使用.左右的网格数目亓晓晨等:一种新型组合翼地面效应气动特性数值研究图 网格无关性验证.数值模拟结果及讨论.升力系数对比分析在离地高度为/.攻角分别为 、时得到升力系数随攻角的变化如图()所示并与自由来流(无地效)情况做了比较 在攻角 离地高度分别为/.、.、.、.、.时得到升力系数随离地高度的变化如图()所示 后文针对阻力系数和升阻比的计算状态与计算升力系数时保持一致图 升力系数变化曲线.如图()所示 种机翼的升力在地面效应下都得到了明显提升矩形翼平均提升了 组合翼平均提升了说明组合翼在地面效应下获得了更大的升力 在无地面效应下机翼气动特性变化具有相同的变化趋势:随攻角增大且在离地高度一定的情况下矩形翼和组合翼的升力系数都随着攻角的增加而逐渐增加随着攻角的增大曲线变化逐渐平缓 在 攻角时组合翼比矩形翼升力系数提高了在 攻角时 种机翼升力系数基本相同在 攻角时组合翼的升力系数小于矩形翼其中在 攻角时降低了约.在攻角一定的情况下矩形翼和组合翼的升力系数都随离地高度的增加而降低且组合翼的升力系数大于矩形翼在离地高度/.时增幅最大达到了.随离地高度的增大增幅逐渐减小在离地高度/.时增幅为.阻力系数对比分析如图()所示地面效应使 种机翼的阻力系数降低矩形翼的阻力系数平均降低了 组合翼的阻力系数平均降低了 组合翼在地面效应下降低了更多的阻力系数地面效应并未改变机翼阻力的变化趋势:离地高度一定时增加攻角矩形翼和组合翼的阻力系数逐渐增加 这是因为当攻角逐渐增大时机翼的迎风面积增加前缘气流受阻流速降低压力增加且后缘气流分离程度增加出现涡流压力减小机翼上下表面压力差增大压差阻力逐渐增大这是因攻角增大而提高升力所不能避免的 随攻角增大 种机翼阻力系数的增加幅度也逐渐增大在地面效应下攻角时组合翼的阻力系数由.增加到了.增加了且组合翼的阻力系数始终小于矩形翼 在攻角为 时组合翼的阻力系数相比矩形翼降低了约 在攻角为时组合翼的阻力系数相比矩形翼降低了约 如图()所示攻角一定时矩形翼和组合翼的阻力系数都随离地高度的增加而增加但曲线的变化幅度小于因攻角带来的阻力系数改变因此 种机翼阻力系数对攻角的变化更加敏感 在这种情况下组合翼的阻力系数相比矩形翼有大幅度的降低平均降低了 在离地高度/.时组合翼的阻力系数相比矩形翼降低了 图 说明了组合翼的阻力系数在计算状态相同时小于矩形翼因为组合翼的翼段 与地面的距离较小以及翼尖弦长较小从而产生了较弱的翼尖涡流翼段 可以挡住涡流降低翼尖涡带来的诱导阻力图 阻力系数变化曲线.升阻比对分析升阻比是地效翼的一个重要性能参数 图()显示了 种机翼在离地高度/.时升阻比随攻角的变化并和无地效情况下做了比较 矩形翼和组合翼展现了相同的趋势即在 攻角时升阻比有所增加而在 攻角时升阻比降低 升阻比降低的原因是随着攻角的增加 种机翼迎风面积也逐渐增大导致其阻力逐渐增加而攻兵 器 装 备 工 程 学 报:/./角带的升力提升小于阻力的增加 组合翼的升阻比相比矩形翼有显著的提升 组合翼的升阻比相比矩形翼的最大增量出现在 攻角增加了约 在地面效应下组合翼的升阻比相比矩形翼平均提升了 无地面效应下组合翼升阻比相比矩形翼平均提升了 图()可以看出在攻角为 时 种机翼的升阻比随离地高度的变化 种机翼的升阻比都随离地高度的增加而降低离地高度越大曲线变化越平缓 在离地高度/.时组合翼的升阻比相比矩形翼提升了 这是因为在离地高度较低时机翼下表面的气流流速减小压强增大地面的阻滞作用使部分下翼面气流汇入上翼面上翼面气流流速增加压强降低上下翼面压强差增大增强了吸力效应 地面边界阻挡了机翼翼尖涡流和下洗流使机翼诱导阻力减小 而组合翼因翼段特殊的构型进一步产生较低的阻力所以组合翼的升阻比明显大于矩形翼 在不同离地高度下组合翼的升阻比相比矩形翼平均提升了 图 升阻比变化曲线.速度和湍流动能分析图 对比了矩形翼和组合翼在和攻角离地高度为/.时的机翼周围和尾缘的湍流动能 当攻角增大时机翼后缘附近气流湍流动能增强 组合机翼后缘附近的湍流动能大于矩形机翼在大攻角时更加显著图 翼根湍流动能分布.图 对比了矩形翼和组合翼在和攻角离地高度为/.时的翼根周围的速度分布 在攻角为 时 种机翼下表面的中间跨度处和地面之间的存在较大的速度散射根据伯努利定理组合翼下表面的速度比矩形翼的速度小所以具有更大的压力 对组合翼来说停滞气流从前缘移动到下表面的运动更大产生了更大的冲压效果 另一方面与矩形翼相比组合翼的气流以较低的动量转向上表面时所产生的吸力效应较低 种机翼的尾迹区域的速度表明随着攻角的增加矩形翼和组合翼的气流分离现象更加明显根据速度分布由于组合翼上表面气流能量较低气流分离的程度更大图 翼根速度分布.压力分析图 为组合翼和矩形翼在不同攻角(和)/.的离地高度下的翼根位置的压力系数分布 当攻角为 时 种机翼上表面前缘存在较大的负压力意味着气流停滞点更靠近机翼前缘 随着攻角增大上翼面的负压力增大整体上下翼面的压差增加因此增强了吸力效应增加了机翼的升力 组合翼的下翼面压力系数与矩形翼基本相同而上翼面的压力系数大于矩形翼证明了组合翼的吸力效应小于矩形翼且随着攻角增大更加明显因此如图()所示在 和攻角的情况下组合翼的升力系数小于矩形翼 图 为组合翼和矩形翼的翼根在不同离地高度(/.和.)攻角为 下的压力系数曲线 在 种离地高度下组合翼下表面压力系数大于矩形翼 随着离地高度降低矩形翼上翼面前缘压力系数明显增大下翼面前缘压力系数减小上下翼面后缘压力系数有小幅度增加 组合翼下翼面压力系数增大上翼面前缘压力系数无明显变化 上下翼面后缘的压力系数增大 上翼面的负压力减小使升力减小下翼面的正压力增加使升力增加且下翼面的升力增加大于上翼面的升力损失(吸力效应)因而升力随离地高度的降低而增加亓晓晨等:一种新型组合翼地面效应气动特性数值研究图 不同攻角的压力系数分布曲线.图 不同高度的压力系数分布曲线.结论本文中提出了一种新构型的组合翼通过数值模拟方法在不同攻角和离地高度的情况下深入研究了地面效应下组合翼的气动特性并与矩形翼进行了对比分析研究表明:)攻角一定时随着离地高度的减小组合翼的气动性能提升越大在离地高度/为.时组合翼的升力系数提升并不明显只有.而阻力系数降低了 升阻比提高了)离地高度一定时组合翼的升阻比提升与攻角呈现了非线性关系在 攻角时增幅最大为 组合翼的阻力系数增幅随攻角增大而增大在 攻角时减幅达到了)在地面效应下组合翼改善了机翼下侧的压力分布由于组合翼的翼尖与地面的距离较小产生了较弱的翼尖涡流并降低了下洗速度因此诱导阻力减小提升了组合翼的气动性能 组合翼的湍流动能比矩形翼更大然而组合翼的吸力效应较弱且尾缘附近的气流分离程度更大参考文献:.:.:.陈建炜姜敏陈道锦等.低雷诺数多段翼型地面效应数值仿真.制导与引信():.():.张琴林.飞行汽车地面效应空气动力学特性研究.成都:西华大学.:.():.():.徐晓刚张扬昌敏等.考虑阶跃型地面的翼型前飞气动特性影响研究.上海交通大学学报(自然科学版)():.()兵 器 装 备 工 程 学 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