壓垮音速下柵格翼氣動特性研究

中北大學機電工程學院 席園 秦可偉 姚光生

壓垮音速下柵格翼氣動特性研究

中北大學機電工程學院 席園 秦可偉 姚光生

柵格翼阻力大是阻礙它廣泛應用的一個主要缺點，因此如何減小柵格翼的阻力顯得十分重要。本文針對柵格翼的結構特點，對兩種柵格翼類型分別采用了前掠與后掠的方式進行模擬計算研究，結果表明前后掠方式在兩種柵格翼類型中均能起到很好的減阻效果。

柵格翼；減阻；前后掠；數值模擬

引言

柵格翼是由眾多薄的柵格壁鑲嵌在邊框內組成，由于它特殊的氣動外形，使之相對于傳統的平板翼來說有著許多優點，如：升力特性好、在很寬的Ma數范圍內壓力中心移動量很小、鉸鏈力矩也很小、易折疊、打開與操控等許多優點[1]。常見的柵格翼有框架式和正置式兩種，現在柵格翼比較成功的應用在航天飛行器（宇宙飛船救生逃逸艙）和戰術導彈（俄羅斯R-77空導彈）上，主要作為穩定面或控制面。

但是柵格翼在導彈上應用最大的阻礙它的問題就是阻力大，因此減阻提升也是柵格翼的主要研究方向。目前國內外對于柵格翼研究的減租方法主要是通過改變柵格數、柵格壁厚度以及通過改變柵格翼氣動外形，如不同的前后掠方式，也能起到有效的減租效果[2-6]。

本文通過改變正置式柵格翼與斜置蜂窩式柵格翼的氣動外形，采取前后掠的方式，對柵格翼的減阻氣動特性進行研究分析。

1 數值模擬

1.1 柵格翼的幾何結構與參數

圖1 斜置蜂窩式柵格翼三種模型

圖2 正置式柵格翼三種模型

圖1、圖2給出了六種模型的幾何參數，其中圖1所示為斜置蜂窩式柵格翼的三種模型，從左到右依次為普通式、前掠式和后掠式；圖2所示為正置式柵格翼的三種模型，從左到右依次為普通式、前掠式和后掠式，采取前后掠角度為40°

1.2 網格的劃分及計算條件

為了保證一定計算精度與速度，采取結構/非結構網格進行劃分，并且將流域劃分成由密至疏的三部分，網格數約為140萬左右，如圖3、4所示：

圖3 柵格翼流域網格圖

圖4 后掠式柵格翼剖視圖

計算采用的控制方程為雷諾平均的N-S方程，使用S-A湍流模型，密度基求解器，采用二階迎風方式來提高計算精度。

計算條件為：來流馬赫數 Ma=0.6，0.8，1.0，1.2，攻角=4°，舵偏角=0°，溫度T=300K,參考壓力p=0，來流絕對壓力p=101325Pa，邊界條件為壓力遠場邊界條件。

2 結果與分析

圖5、6中PT表示普通柵格翼，HL表示后掠式柵格翼，QL表示前掠式柵格翼。

圖5 蜂窩式柵格翼阻力變化圖

由圖中六種模型可以看出，帶有前后掠角的柵格翼要比普通柵格翼的減阻效果明顯，并且所有模型均在馬赫數為1的時候阻力有明顯的升高，這一點十分符合空氣動力學特征，主要是因為激波的產生，使柵格翼所受到的阻力明顯的增大，并且阻力主要為波阻。而在亞音速下，可以明顯看到前掠式的氣動特性更好，這與前掠翼的氣動特性相符合。由圖7-12所示的馬赫云圖可以明顯的看到，前后掠式柵格翼相對于普通柵格翼有著十分突出的氣動特點，我們可以看到前后掠式的高馬赫區域明顯要小于普通柵格翼。這說明前后掠方式能很好地推遲激波的產生，并且能夠在激波產生時，更有效地將正激波轉化為阻力更小的斜激波，從而起到很好的減阻效果。

3 結論

本文通過對六種模型的建模，計算得出：

3.1 帶有前后掠方式的兩種類型柵格翼均可以起到很好的減阻效果。

3.2 在亞音速下，前掠式柵格翼的減阻效果更好，但是當達到超音速時，后掠式減阻效果更佳。

3.3 前掠式柵格翼在翼尖處的應力較為集中，因此對材料的要求要比后掠式更高。

[1]黎汗華，石玉紅.柵格翼國內外研究現狀及發展趨勢[J].導彈與航天運載技術，2008(06):27-30

[2]James DeSpirito. Milton E. Vaughn Jr. Subsonic Flow CFD Investigation Of Canardcontrolled Missile With Planar And Grid Fins[R]. AIAA-27-500.2003

[3]Daniel A. Pruzan. Michael R. Mendenhall Grid Fin Stabilization of the Orion Launch Abort Vehicle [C]. 29th AIAA Applied Aerodynamics Conference AIAA-3018.2011

[4]鄧帆.柵格翼氣動外形設計及其翼身組合體滾轉特性的研究[D].南京理工大學,2011

[5]姚君.柵格翼減阻特性的數值模擬研究[D].2013

[6]鄧帆,陳少松,余勇剛.亞跨音速柵格的升阻特性數值研究[J].彈道學報,2009（04）