后緣裝置LET對多段翼型氣動特性的影響研究

黃煒，龔志斌，李杰

(1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京 210016;2.中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海 200235;3.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西西安 710072)

引言

高升力系統(tǒng)對于運輸機起飛著陸距離、最大起飛著陸重量、進場速度和高度等有著決定性的影響，更好的高升力性能意味著更加靈活的巡航機翼設(shè)計與更加簡單的機械系統(tǒng)。傳統(tǒng)的高升力系統(tǒng)通常都使用多段襟翼，在獲得很高氣動效率的同時付出了顯著的重量和經(jīng)濟代價，現(xiàn)代高升力系統(tǒng)的設(shè)計趨勢是回歸簡單的襟翼系統(tǒng)［1-2］。

為保證這些相對簡單系統(tǒng)的高升力性能，一方面新的計算和實驗手段被投入使用，這使得人們對于相關(guān)流動控制有了更好的理解;另一方面，用于改善飛機高升力特性的一些小型裝置也備受關(guān)注，這些裝置簡單、經(jīng)濟且重量輕。后緣LET裝置為安裝在后緣下表面高度約為弦長0.25%～5.00%的小平板［3］，如傳統(tǒng)的GF和新型的Mini-TED等。

本文采用求解N-S方程方法分析了傳統(tǒng)的GF不同安裝位置對兩段高升力翼型氣動特性的影響，并針對某真實飛機起飛、著陸構(gòu)型多段翼型，研究了襟翼尾緣新型后緣裝置Mini-TED不同偏角對氣動特性的影響。

1 數(shù)值方法可靠性驗證

為驗證所采用數(shù)值計算方法的可靠性，本文對帶有30%弦長富勒襟翼的NACA632-215B兩段高升力翼型進行計算分析。計算模型襟翼偏角為27°，縫道參數(shù)為Gap=0.02，O/L=0.015。采用點對接多塊網(wǎng)格生成技術(shù)生成的結(jié)構(gòu)化粘性網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 NACA632-215B兩段翼型網(wǎng)格圖

圖2 翼面壓力分布對比

圖2給出了迎角0°時兩段基本翼型壓力分布與試驗以及采用INS2D-UP求解器所得計算結(jié)果的比較。計算狀態(tài):Ma=0.2015，Re=4.69 ×106。

可以看出，計算結(jié)果與INS2D-UP求解器所得計算結(jié)果及試驗結(jié)果吻合良好，說明本文所采用的數(shù)值模擬方法能夠較好地對多段翼型附近的粘性繞流流場進行模擬。

2 不同位置的GF計算分析

由于后緣襟翼包含了典型的富勒運動，因此NACA632-215B兩段高升力翼型可以代表當今運輸機的高升力系統(tǒng)。在此翼型基礎(chǔ)上本文進行了傳統(tǒng)形式GF不同安裝位置的計算研究。主翼和襟翼上的GF高度均為后緣襟翼收回時的干凈翼型弦長的0.5%。

圖3～圖5給出了0°迎角GF不同安裝位置的壓力分布變化。?

圖3 主翼加裝GF后壓力分布對比

圖5 主翼和襟翼同時加裝GF后壓力分布對比

圖6～圖9給出了主翼、襟翼上GF的安裝對翼型升阻特性和力矩特性的影響。主翼加裝GF后，襟翼上吸力峰值降低所引起的升力下降將主翼部分后緣載荷增加所帶來的升力增量抵消，且隨著迎角增大總的負升力增量增加從而導(dǎo)致升力線斜率下降、最大升力系數(shù)減小，襟翼上前緣吸力峰值下降引起了襟翼上的壓差阻力增加的同時還引起了抬頭力矩的產(chǎn)生，當然GF本身也帶來了阻力的增加。而襟翼上的GF則引起了升力的顯著增加，且升力線斜率幾乎不受影響，最大升力系數(shù)增加，低頭力矩增大。在升力系數(shù)較高的情況下，襟翼上的GF能夠使得相同升力系數(shù)下的阻力值減小，升阻比增大。

以上分析說明了在中等襟翼偏角下主翼上加裝GF對氣動特性是不利的，而襟翼上安裝GF則有實際應(yīng)用的可能。

圖6 GF不同安裝位置的升力特性

圖7 GF不同安裝位置的升阻特性

圖9 GF不同安裝位置的升阻比特性

3 Mini-TED流動控制研究

Mini-TED是一種新型的后緣流動控制裝置。Mini-TED的長度一般為當?shù)匾硇推拭娓蓛粝议L的2%左右，它們通常安裝在襟翼下表面的后緣處，并且可以向一個方向進行偏轉(zhuǎn)［4-6］，如圖10所示。

圖10 Mini-TED結(jié)構(gòu)示意圖

與固定式后緣裝置不同，Mini-TED可以通過調(diào)整其偏轉(zhuǎn)的角度對不同的飛行狀態(tài)進行流動控制。傳統(tǒng)的固定式流動控制裝置對機翼氣動性能的改善作用范圍十分有限，在其他使用范圍內(nèi)一般會帶來不利的影響。而Mini-TED可以根據(jù)不同的飛行狀態(tài)適時調(diào)整其偏角，進而擴大了其對流動起到有利影響的使用范圍。在高速巡航時可以使Mini-TED的偏角很小，其主要作用與發(fā)散后緣裝置類似;在起飛、著陸階段，Mini-TED的偏角相對較大時，其流動控制機理與GF有一定的相似之處。

本文針對某真實飛機多段翼型的起飛構(gòu)型和著陸構(gòu)型，分別研究了不同的Mini-TED偏角對氣動特性的影響。

3.1 起飛構(gòu)型

針對某起飛構(gòu)型計算分析了Mini-TED偏角為10°，20°，30°時翼型氣動特性的變化。偏角為 30°時的網(wǎng)格及氣動特性仿真曲線如圖11～圖14所示。

圖11 Mini-TED偏角為30°時的局部網(wǎng)格

圖12 升力系數(shù)隨迎角變化

圖13 阻力系數(shù)隨迎角變化

圖14 升阻比隨升力系數(shù)變化

從圖12升力系數(shù)的對比可以看出，TED偏角在0°～30°變化范圍內(nèi)，隨著偏角增大，在相同迎角下升力系數(shù)也隨之增大，翼型的失速迎角隨著偏角的增大略有減小。從圖13阻力系數(shù)的對比可以看出，在相同迎角下隨著偏角增大阻力系數(shù)也隨之增大。但是從圖14升阻比隨升力變化曲線的對比可以看出，TED偏角為10°時最大升阻比比原始起飛構(gòu)型略大，偏角為20°時最大升阻比與原始起飛構(gòu)型相當，偏角為30°時最大升阻比比原始起飛構(gòu)型要小。在較大升力系數(shù)狀態(tài)下，加裝TED后升阻比均大于原始起飛構(gòu)型。

從計算結(jié)果可以看出，對于起飛構(gòu)型多段翼型在加裝不同偏角的TED后升力系數(shù)均有所增大，相應(yīng)的阻力系數(shù)也隨之增大，在增大升力系數(shù)的同時升阻比也有一定的提高潛力。因此在工程實際應(yīng)用中，針對起飛狀態(tài)通過對TED安裝偏角進行優(yōu)化選擇，可以在增大升力的同時改善升阻比特性。

3.2 著陸構(gòu)型

針對著陸構(gòu)型分別計算分析了Mini-TED偏角為 30°，45°，60°，75°狀態(tài)下翼型氣動特性與原始構(gòu)型的變化。偏角為60°時的網(wǎng)格及仿真曲線如圖15～圖18所示。

圖16～圖18分別給出了不同的TED偏角下著陸構(gòu)型升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及升阻比的對比。從升力系數(shù)對比可以看出，與原始著陸構(gòu)型相比，加裝TED后，升力系數(shù)均有所增大，失速迎角均有所減小。當偏角為45°時，CLmax取得最大，當偏角進一步增大時，CLmax隨之降低。從阻力系數(shù)對比圖中可以看出，在相同迎角下隨著TED偏角的增大阻力系數(shù)也隨之增大。從升阻比隨升力變化曲線對比圖中可以看出，在升力系數(shù)較小的范圍內(nèi)(CL＜3.8)，在相同升力系數(shù)下加裝TED后，升阻比均小于原始著陸構(gòu)型多段翼型，且隨著TED偏角的增大，升阻比逐漸減小。在較大升力系數(shù)狀態(tài)下(CL＞3.8)，加裝TED后升阻比均大于原始著陸構(gòu)型。在工程實際應(yīng)用中，針對著陸狀態(tài)根據(jù)TED對升力、失速迎角和阻力的具體影響，通過對TED的安裝偏角進行優(yōu)化，可以進一步改善飛機的著陸性能。

圖15 TED偏角為60°時的局部網(wǎng)格

圖16 升力系數(shù)隨迎角變化

圖17 阻力系數(shù)隨迎角變化

圖18 升阻比隨升力系數(shù)變化

4 結(jié)束語

本文針對30%弦長富勒襟翼的NACA632-215B兩段高升力翼型不同位置的GF進行了計算分析，結(jié)果表明在中等襟翼偏角下主翼尾緣安裝GF對氣動特性是不利的，而GF在襟翼尾緣的安裝則有實際應(yīng)用的可能。并針對某真實飛機起飛構(gòu)型和著陸構(gòu)型多段翼型，研究了襟翼后緣不同偏角的Mini-TED對氣動特性的影響。對比GF和Mini-TED對多段翼型氣動特性的影響可以看出，與固定式后緣裝置不同，對于Mini-TED可以通過調(diào)整偏轉(zhuǎn)的角度對不同的飛行狀態(tài)進行流動控制。傳統(tǒng)的固定式LET對氣動性能的改善起有利作用的范圍十分有限，而在其他使用范圍內(nèi)一般會帶來不利的影響，而Mini-TED可以根據(jù)不同的飛行狀態(tài)適時調(diào)整偏角，進而擴大其對流動起到有利影響的范圍。

［1］ James C Ross，Bruce L Storms，Paul G Carrannanto.Liftenhancing tabs on multi-element airfoil［J］.Journal of Aircraft，1995，23(3):649-655.

［2］ Bruce L Storms，James CRoss.Experimental study on liftenhancing tabs on a two-element airfoil［J］.Journal of Aircraft，1995，23(5):1072-1078.

［3］ Dale L.Experimental，computational investigation of liftenhancing tabs on a multi-element airfoil［R］.NASA TM 110432，1996.

［4］ Hasen H.Application ofmini-trailing-edge devices in the AWIATOR project［C］//5th ONERA-DLR Aerospace Symposium.Toulouse，F(xiàn)rance，2003.

［5］ Gardner A D，Nitzsche J，Neumann J，et al.Adaptive load redistribution using Mini-TEDs［C］//25th International Congress of the Aeronautical Sciences.Hamburg，Germany，2006.

［6］ Richter K，Rosemann H.Numerical investigation on the aerodynamic effect of Mini-TEDS on the AWIATOR aircraft at cruise condition［C］//25th International Congress of the Aeronautical Sciences.Hamburg，Germany，2006.