基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬

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2023年6月21日 13:43

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摘要

為對概念設計戰略大飛機且加裝預警雷達天線的氣動特性進行對比，采用CATIA軟件，設計一種戰略大飛機的3D幾何模型。基于計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)技術，空氣流場的湍流模型采用標準的k-ε方程，流體力學控制理論則采用3維N-S方程。經Fluent軟件數值模擬，得出戰略大飛機的壓力系數云圖、速度等值面圖和升阻特性，并計算在平飛時飛機的質量和需用推力。結果表明，該研究能對大飛機總體設計提供參考依據和技術支撐。

來源

《兵工自動化》2021年第03期《基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬》
作者：岳奎志1，程亮亮2，董超1，郁大照1
單位：1. 海軍航空大學一院，山東煙臺 264001；2. 海軍航空大學二院，山東煙臺 264001

引用格式

岳奎志，程亮亮，董超，等. 基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬[J].兵工自動化，2021, 40(03):43-47,53.
歡迎引用，謝謝！

引言

戰略大飛機是一種多用途飛行器的支撐平臺，有民用、軍用和航天等多種發展方向。目前主要的戰略大飛機有：俄羅斯的“伊爾-76”，烏克蘭的“安-124”和“安-225”，美國的“C-17” “C-5”“波音-747”和“波音-777”等，歐洲的“A-380”。中國對戰略大飛機的研發也非常重視。

計算流體力學是流體力學、數值分析和計算機科學結合的產物。基于CFD技術研究飛機的氣動特性，國內外學者已取得了豐富的學術成果。文獻[1]和文獻[2]基于伴隨算子，研究大飛機在全機狀態下的機翼多參數、高精度優化設計，并考慮短艙和機身對機翼氣動特性的影響；文獻[3]采用非結構混合網格方法數值求解N-S方程，分析了進排氣效應對機翼氣動載荷的影響；文獻[4]對大飛機布局風洞實驗尾支撐干擾開展了數值模擬和實驗研究，數值方
法計算結果與風洞實驗結果有很好的一致性；文獻[5]基于3D數字樣機和高精度數值模擬方法，設計自動駕駛儀閉環仿真系統；文獻[6]研究非平面機翼的氣動性能；文獻[7]研究寬體飛機客艙環境控制系統的通風情況；文獻[8]研究飛機在大迎角條件下的氣動特性；文獻[9]研究飛機機翼的結構和氣動耦合技術；文獻[10]研究飛機空氣動力和穩定特性；文獻[11]研究運輸機尾部降阻增升方案的設計，并進行風洞試驗；文獻[12]考慮進氣道幾何特征，研究高速飛機的進氣道特性；文獻[13]使用降階模型，數值模擬飛機的結冰特性；文獻[14]研究大飛機縫翼滑軌對飛機氣動性能的影響；文獻[15]數值模擬大飛機靜壓孔周圍的壓力系數，仿真得出壓力系數與實際側滑角的關系；文獻[16]基于分布式推進系統與翼身融合體耦合的飛機氣動布局設計方案，研究設計參數對飛機氣動特性的影響；文獻[17]計算評估大量外形方案性能，完成民用飛機與發動機集成構型下機翼多目標優化設計；文獻[18]估算機翼下掛載吊艙對試驗飛機飛行品質的影響；文獻[19]提出智能自適應控制策略，并對波音747進行仿真，效果顯示能夠實現強風干擾影響下的大飛機姿態快速穩定與快速機動。
雖然對大飛機的氣動特性研究較多，但是關于概念設計戰略大飛機，且加裝預警雷達天線后的氣動特性對比方面的研究，尚未搜到相關文獻；因此，筆者采用CFD技術，研究戰略大飛機的概念設計，并進行戰略運輸機和戰略預警機的氣動特性研究。

理論依據

在對戰略大飛機進行CFD數值模擬的過程中，空氣流場的湍流模型采用標準的k-ε方程，流體力學控制理論則采用3維N-S方程。
湍流模型的標準k-ε方程[20]為：

基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬的圖1

控制理論的3維N-S方程為[21]：

基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬的圖2

其中：ρ是流體密度；k是湍動能；t是時間；ui是時均速度；μ是流體動力粘度；μt是湍動粘度；σk是與湍動能k對應的Prandtl數；Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb是由于浮力引起的湍動能k的產生項；ε是湍動耗散率；YM是湍流中脈動擴張的貢獻；Sk是用戶定義的源項；σε是與耗散率ε對應的Prandtl數；C1ε、C2ε和C3ε是經驗常數；Sε是用戶定義的源項；u是速度矢量；u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向上的分量；p是流體微元體上的壓力；div()是散度；grad()是梯度；Su是動量守恒方程u方向的廣義源項；Sv是動量守恒方程v方向的廣義源項；Sw是動量守恒方程w方向的廣義源項[22]。

戰略大飛機概念設計

戰略大飛機的使命任務和發展定位為：1) 在軍用領域，戰略大飛機可作為軍用運輸機、預警機、加油機和預警加油機的飛行平臺；2) 在民用領域，戰略大飛機可成為客機，同“波音-747”和“A-380”平分秋色。

根據飛機設計的使命任務和發展定位，采用CATIA軟件，參照“安-225”“波音-747”和“A-380”等大飛機，筆者設計出戰略大飛機的3維數字樣機如圖1。

基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬的圖3

戰略大飛機為正常式氣動布局、H形尾翼、4臺渦扇發動機的寬體飛機，其總體布置情況如下：1) 后掠機翼分成2段，并帶有翼尖小翼，帶有4片襟翼和2片副翼；2) 平尾上反7°，并帶有6片升降舵；3) 雙立尾外傾角為10°，每個立尾帶有上下2片方向舵；4) 平尾和雙立尾組合成H形尾翼；5) 機翼下吊掛4臺型號為通用電氣GB90-115B的渦扇發動機，單臺發動機最大推力為567 kN；6) 主起落架共計有32個機輪，左右兩側各8個起落架，每個起落架帶有2個機輪；7) 前起落架有2個起落架，每個起落架帶有2個機輪。
概念設計戰略大飛機的3維數字樣機，采用的主要設計參數見表1。

基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬的圖4

在民用客機領域，戰略大飛機一次可以承載599名乘客；在軍用運輸機領域，戰略大飛機一次可以運送11輛步兵戰車，參見圖2(a)；在預警機領域，大飛機可以衍生成戰略預警機，設計的探測距離達到1 500 km，參見圖2(b)。

基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬的圖5

在概念設計綜合領域，戰略大飛機還可以充當加油預警機。

分析與討論

主要進行戰略大飛機的氣動特性分析。

戰略大飛機按照幾何形狀相似度，劃分成2種類型：戰略運輸機、戰略預警機。在建立戰略大飛機的幾何模型后，需對飛機劃分網格，才能進行CFD分析。基于 Workbench軟件Mesh模塊，采用非結構的四面體網格，對戰略大飛機飛行的氣動流場進行網格劃分，生成戰略運輸機的流場網格數量為12 676 981個，生成戰略預警機的流場網格數量為13 596 208個。取流場網格在戰略大飛機表面的網格部分，生成戰略大飛機的網格見圖3。

基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬的圖6

在生成流場網格后，進行戰略大飛機的氣動特性分析。
采用Workbench軟件的Fluent模塊，基于CFD理論，分析戰略大飛機的氣動特性。

因為戰略運輸機在高空進行巡航飛行，所以分析其在12 km空中飛行時的氣動特性。在進行CFD求解戰略運輸機氣動特性過程中，在模型設置選項中湍流理論采用標準的k-ε方程，而流體力學控制理論采用3維N-S方程。戰略運輸機流場的初始條件設置如下：1) 流場入口流體為空氣，在海拔12 km空中的大氣密度為0.311 94 kg/m3，壓力為19 399 Pa，聲速為295.07 m/s，動力粘度為1.421 6×10-5 N?s/m2；2) 大氣流場入口速度為0.8 Ma；3) 大氣流場出口為自由出流；4) 機翼參考面積為900 m2；5) 重心位置設定為x=41.989 m，y=0 m，z=1.982 m。

飛機在迎角為0°時，經Fluent軟件的數值模擬可以得出：1) 戰略運輸機的動壓、靜壓云圖見圖4；2) 戰略運輸機的速度等值面圖見圖5。

基于CFD理論的戰略大飛機的氣動特性數值模擬的圖7