摘    要：襟翼是機(jī)翼上用來改善氣流和增加升力的可操縱裝置，是飛機(jī)需要校核的重要部件之一。本文對某渦輪螺旋槳飛機(jī)的襟翼載荷進(jìn)行計算，以風(fēng)洞數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用等效盤模型考慮螺旋槳滑流影響工程算法計算襟翼載荷，與以計算流體力學(xué)（CFD）考慮滑流噴流影響計算為基礎(chǔ)所計算襟翼載荷進(jìn)行比較。通過對比分析，得出采用工程算法可以有效且快速的反映襟翼載荷情況，在基本滿足工程應(yīng)用需求的前提下更加高效便捷。

關(guān)鍵詞：渦輪螺旋槳;襟翼;滑流效應(yīng);載荷計算;

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)，實現(xiàn)增大升力的作用。渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)（簡稱渦槳發(fā)動機(jī)）以其功率大、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好、壽命長、費用低[1]的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代軍民用飛機(jī)中。

然而螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)時會引起氣流擾動，對飛機(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，通過工程算法對渦槳飛機(jī)考慮滑流影響的后緣襟翼載荷進(jìn)行計算，將考慮滑流噴流影響的CFD仿真計算結(jié)果與工程算法計算結(jié)果進(jìn)行對比，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

為了實現(xiàn)高效工程評估的目的，簡化螺旋槳對氣流擾動的影響效果，采用等效盤模型的無厚度圓盤代替真實螺旋槳[5]，獲得近似真實螺旋槳的滑流效果，能夠快速評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)域流管的動量產(chǎn)生推力，可以比擬為翼面產(chǎn)生升力[2]。基于動量定理，采用一個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壓增加 

槳盤前方遠(yuǎn)處動壓：

槳盤后方被滑流覆蓋的襟翼部分動壓：

動量定理描述如下：

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 計算輸入

2.1 計算對象

圖2 飛機(jī)外形示意 

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

X軸沿飛機(jī)水平基準(zhǔn)線，逆航向為正；Y軸垂直于機(jī)身對稱面，逆航向向左為正；Z軸在飛機(jī)對稱面內(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 計算工況

通過工程算法計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對嚴(yán)重工況進(jìn)行考慮滑流、噴流計算，用以對比工程算法結(jié)果。CFD驗證計算使用的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 襟翼局部網(wǎng)格 

3 計算結(jié)果及比較分析

工程算法計算襟翼載荷以風(fēng)洞試驗的壓力分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算無動力情況的氣動力分布，對于襟翼而言，氣動分布載荷主要是指：

(1）總壓力中心(壓心)位置。

(2）展向力分布。

圖5 主內(nèi)襟翼氣動力比較 

圖6 主外襟翼氣動力比較 

圖7 子內(nèi)襟翼氣動力比較 

圖8 子外襟翼氣動力比較 

(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，計算襟翼的氣動分布載荷，再按前文工程計算方法計算考慮滑流的滑流修正系數(shù)。另外，工程算法計算時認(rèn)為左右襟翼載荷對稱。

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

3.1 展向力分布對比

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

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

3.2 工程算法與仿真對比

將滑流工程算法與CFD計算進(jìn)行對比。如圖9所示為工程算法與仿真計算氣動力對比，分別為計算狀態(tài)序號1和2的工程算法與CFD計算右、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氣動力對比 

如表2所示，為對應(yīng)圖9的CFD與工程算法氣動力的比值。

表2 CFD與工程算法比值

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

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

圖1 0 工程算法與CFD力矩對比 

如表3所示，為對應(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，工程算法計算的鉸鏈力矩小于CFD計算結(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)洞試驗壓力數(shù)據(jù)通過考慮螺旋槳滑流影響的工程算法計算襟翼載荷，篩選出嚴(yán)重工況。基于嚴(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，計算得到兩側(cè)襟翼的氣動載荷。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)計計算中，仍需通過CFD仿真計算、試驗對飛機(jī)進(jìn)行校驗。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉曉晨,胡贊遠(yuǎn).民用飛機(jī)增升裝置載荷設(shè)計技術(shù)研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計與研究,2020(3):7-11.

[2] 艾德·奧波特,著.運(yùn)輸類飛機(jī)的空氣動力設(shè)計[M].顧松芬,等,譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

[3] 左歲寒,楊永.螺旋槳滑流對帶后緣襟翼機(jī)翼氣動特性影響的數(shù)值分析[J].航空計算技術(shù),2007(1):54-57.

[4] 張小莉,張一帆.螺旋槳滑流對增升裝置氣動特性影響研究[J].航空計算技術(shù),2011,41(4):1-3,7.

[5] 楊小川,李偉,王運(yùn)濤,等.一種分布式螺旋槳運(yùn)輸機(jī)方案及其滑流效應(yīng)研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2019,37(2):361-368.

文章來源科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新. 2023(24)