四發螺旋槳滑流對某運輸機氣動特性的影響研究

趙曉霞，劉毅

(中航飛機股份有限公司 漢中飛機分公司，漢中 723000)

四發螺旋槳滑流對某運輸機氣動特性的影響研究

趙曉霞，劉毅

(中航飛機股份有限公司 漢中飛機分公司，漢中 723000)

四發螺旋槳飛機滑流影響區較大，需要準確獲得滑流引起的升力、阻力和俯仰力矩特性的變化以評估飛機的飛行性能和品質。采用動力模擬風洞實驗研究某運輸機在滑流影響下的氣動力特性，包括升阻特性、俯仰力矩特性和升降舵效率，并采用七孔探針技術測量平尾區的尾流場特性。結果表明：滑流對氣流加速的效應使得飛機的升力、阻力均有增加，升阻比在典型巡航和爬升狀態下分別降低了6%和20%；滑流隨迎角的增加從下至上掃掠過平尾，使得俯仰力矩和升降舵效率出現明顯的非線性變化。

滑流；渦槳飛機；氣動特性；風洞實驗；七孔探針

0 引 言

螺旋槳動力系統是當代亞音速飛機的主要動力系統之一，在較低亞音速的通用飛機、軍用及民用運輸機上獲得了廣泛應用。N.Bronswijk[1]回顧了對螺旋槳動力影響研究的發展史，將其劃分為三個階段：1920～1955年，完成了螺旋槳動力影響研究的主要工作，建立了葉素動量理論，對單獨螺旋槳、螺旋槳與機體相互干擾、滑流對操穩特性影響等方面進行了深入的理論和實驗研究；1955～1980年，由于渦噴、渦扇發動機的發展和應用，關于螺旋槳動力的應用和研究迅速下降，NASA開展了系列通用飛機的全尺寸風洞實驗以提高通用飛行器的安全性；1980年以后，渦輪螺旋槳的燃油經濟性和較高的拉力-重量比使得螺旋槳動力的應用重新得到重視，而計算流體力學的發展也使得動力影響的復雜流動現象能夠被較好地模擬。李尚斌等[2]總結了螺旋槳動力影響的研究進展，表明雖然已有較多的有關滑流對機翼和增升裝置影響的研究，但針對升力、阻力、俯仰力矩、滾轉力矩、偏航力矩和后體阻力等方面的研究較少。實驗中通常測量飛機整體性能的變化，對滑流對機翼、機身、增升裝置的影響及其機理的研究有待加強。L.L.M.Veldhuis[3]對螺旋槳與機翼之間的相互干擾效應的計算和實驗研究情況進行了綜述。

螺旋槳滑流影響與飛機機體的相互干擾取決于具體的構型配置，故難以采用分析方法獲得準確的影響量。較為有效的數值計算方法包括渦格法結合半經驗的葉素理論模型，求解Euler/N-S方程方法并采用等效盤或滑移網格技術模擬滑流效應[4-6]。螺旋槳動力模擬風洞實驗通過對螺旋槳軸向和旋轉速度的相似模擬，能夠獲得相對真實的流態和氣動影響。螺旋槳動力影響分為直接影響和滑流影響，滑流使升力增加，通過改變下洗、吹洗尾翼等方式對飛機俯仰力矩和升降舵效率產生影響[7-9]；目前，已通過風洞實驗驗證了螺旋槳動力能夠使升力增加、軸向靜穩定性降低等效應[10-13]。S.F.Hoerner等[14-15]研究表明，滑流使升力增加的量值與拉力系數成正比，但不同構型的飛機其比例系數差異較大，浸潤在滑流中部件的廢阻基本正比于速壓，飛機的誘導阻力降低。

上述研究多未將螺旋槳動力的直接和間接影響分離研究，關于完整飛機構型阻力特性的數據也較少，雖得出了俯仰力矩特性穩定性降低的結論，但忽略了滑流影響導致的俯仰力矩非線性特性。本文通過技術手段將螺旋槳旋轉時自身的氣動力與飛機分離，得到飛機在純滑流影響下的氣動力特性；采用七孔探針技術研究平尾區域的尾流場特性，并分析滑流對平尾的干擾機理。

1 實驗方法

某運輸機在烏克蘭安定諾夫設計局的AT-1風洞、中國空氣動力研究與發展中心的FL-13、FL-12風洞中完成帶動力風洞實驗，實驗模型如圖1所示，各風洞的實驗參數如表1所示。對滑流效應的模擬采用間接模擬的固定拉力系數法，模型電機的拉力系數、前進比與實際發動機相同，但槳葉角和轉速并無關聯，實驗中改變模型的姿態角和構型，拉力系數不變。模型電機自身的氣動力與飛機(含滑流影響)的氣動力實現分離測量，在AT-1風洞中模擬電機通過前置馬達驅動，與飛機模型無直接接觸；在FL-13及FL-12風洞，模型螺旋槳由發動機短艙內的電機驅動，每個電機及螺旋槳的氣動力均由單獨的小天平測量并從主天平讀數中扣除。滑流的強弱以拉力系數來衡量，單臺螺旋槳的拉力系數CT以機翼面積作為參考面積，即：

CT=T/qSw

式中：T為單臺螺旋槳拉力；q為飛行速壓；Sw為機翼面積。

采用上述定義方式后，CT與飛機阻力系數參考面積一致，便于直接比較。

(c) FL-12風洞

風 洞橫截面尺寸帶動力實驗風速/(m·s-1)雷諾數AT-14m×2.33m500.8×106FL-138m×6m551.7×106FL-124m×3m400.6×106

尾流場測試采用矩陣布置的七孔探針尾耙測量得到，探針為4排、7列布置，每行、列的間距均為0.14 m，從上至下第二排為平尾所在位置，如圖2所示。采用七孔探針可獲得測量點的三個速度分量和壓力數據，為了研究不同高低位置的局部速度的變化，將每一排七個探針測得的軸向速度進行平均后再分析。

圖2 七孔探針尾耙尾流場實驗模型

2 實驗數據及分析

2.1 升阻特性

某運輸機巡航構型帶滑流效應的升力曲線如圖3所示，可以看出：隨著拉力系數的增大飛機的升力線斜率成正比地增加，不同拉力系數的升力曲線在迎角為4°左右相交，故在常用飛行迎角范圍內飛機的升力系數隨拉力系數的變化不大，這一特點是由螺旋槳相對機翼的位置和安裝角決定的；飛機典型的巡航及爬升拉力系數分別為0.011 4和0.039 7，當CT=0.011 4時，升力線斜率增加約1%，而當CT=0.039 7時，升力線斜率增加約7%，導致平尾處下洗率增加，平尾效率降低；滑流對飛機的失速迎角影響不大，大迎角范圍內的升力形態無明顯變化，使最大升力系數有增加趨勢；由于滑流對機翼的影響機理復雜，實驗雷諾數較低使得有滑流的最大升力系數實驗值中包含了雷諾數效應、附面層轉捩、滑流旋轉速度分量誘導的不均勻失速等多種因素的影響，其定量結果應以試飛數據為準。

(a) 帶動力升力曲線

(b) 帶動力升力線斜率

帶滑流狀態的阻力特性實驗曲線如圖4～圖7所示。

圖4 帶滑流效應阻力特性

圖5 不同拉力系下數的零升阻力系數

圖6 不同拉力系數下的誘導阻力因子

圖7 不同拉力系數下的升阻比

從圖4可以看出：在有滑流狀態下，飛機的阻力系數(CD)與升力系數(CL)的二次方具有線性關系；隨著拉力系數的增大阻力曲線上移，表明隨著滑流強度增加，飛機的阻力系數呈正比地增加。

從圖5可以看出：零升阻力系數(CD0)和拉力系數(CT)呈線性關系且不同風洞的數據基本吻合，在典型巡航和爬升狀態下，升力系數相對無滑流構型分別增加了0.001 9和0.007 6。CD0增加的原因是滑流影響區內速壓的增加導致摩擦阻力的增大，對某運輸機而言，機翼上下表面處于滑流區內的浸潤面積達到參考面積的90%，因此受滑流強度影響顯著。

從圖6可以看出：飛機的誘導阻力因子Ai隨拉力系數的增加總體上呈緩慢下降的趨勢，其原因可能是滑流使機翼升力分布的變化、下洗的變化以及升力線斜率增加導致CD相對CL2的導數降低。

從圖7可以看出：拉力系數的增加對升阻比(L/D)而言是不利的，在典型巡航和爬升狀態下，飛機的升阻比相對無螺旋槳狀態分別降低約6%和20%。

2.2 俯仰力矩特性及升降舵效率

某運輸機巡航構型有滑流狀態的俯仰力矩曲線和升降舵效率分別如圖8～圖9所示。

圖8 滑流引起的俯仰力矩增量

圖9 帶滑流影響升降舵效率特性

從圖8可以看出：俯仰力矩曲線在滑流影響下呈現出非線性特征，在迎角為10°以下產生附加抬頭力矩，峰值出現在迎角為6°左右；在迎角為10°以上產生附加低頭力矩，峰值出現在迎角為14°左右，俯仰力矩出現類似正弦函數的形態。飛機的縱向穩定性導數在迎角為6°～14°范圍內是增加的，在其余迎角范圍內則降低。

從圖9可以看出：滑流影響下的升降舵效率在迎角為4°以上均有不同程度的增加，在迎角為10°～12°范圍內達到峰值。升降舵效率增加的原因是平尾處局部速壓增大，而隨迎角的變化規律則表明滑流中心與平尾的相對位置發生了變化。

2.3 平尾區域流場測試結果

通過對平尾區域內流場特性進行測試來研究平尾區氣流速度隨迎角的變化情況。將七孔探針尾耙每一行七個探針測量得到的軸向速度平均后可得當地高度的典型速度，結果如圖10所示。

圖10 滑流尾流場速度測試結果(CT=0.084 0)

從圖10可以看出：在平尾高度-2 m時，在迎角為2°時達到局部速度峰值，高度-1 m時，峰值出現在迎角為10°，而平尾高度位置在迎角為14°時出現峰值，高度+1 m時峰值出現的迎角更加推遲。流場測試呈現出明顯的規律，可清晰地判定隨著迎角的增加，滑流中心從下向上移動，當CT=0.084 0時，平尾附近能夠達到的局部速度峰值是來流速度的1.3倍。由于尾流場測試時沒有安裝平尾等因素，平尾高度處速度峰值出現在迎角為14°左右，略大于升降舵效率的峰值出現的迎角，即10°～12°。

根據氣動力和尾流場測試結果，可推斷出螺旋槳滑流尾流對平尾的干擾影響機理，如圖11所示。

(a) 迎角小于10°

(b) 迎角接近10°

(c) 迎角大于10°

從圖11可以看出：當迎角小于10°時，滑流吹洗中心在平尾下方，使平尾產生向下的吸力，局部速度也有所增加；當迎角約為10°時，滑流中心很接近平尾，平尾局部速度達到最大值但沒有明顯的吸力方向；當迎角大于10°以后滑流中心高于平尾，又產生向上的吸力和一定的速度增加。

3 結 論

(1) 本文通過螺旋槳直接力與飛機氣動力分離的實驗方法獲得了精度提高的滑流影響數據，并給出了升力、阻力特性隨拉力系數的變化規律。

(2) 受滑流影響后飛機的升力線斜率和最大升力系數提高，零升阻力系數隨著滑流拉力系數呈線性地增加，誘導阻力因子在較大拉力系數條件下略有降低，升阻比在典型巡航和爬升狀態下分別降低了6%和20%。

(3) 帶動力俯仰力矩曲線隨著迎角的增加存在類似正弦函數的形態。

(4) 升降舵效率在迎角為4°以上均有不同程度的增加，峰值出現在10°～12°之間，尾流場測試表明其原因是隨著迎角的增加，滑流尾流從下至上掃掠經過平尾。

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(編輯：馬文靜)

The Research of the Aerodynamic Characteristics of a Transport Aircraft with Slipstream Effect of Four Turbo-propeller Engines

Zhao Xiaoxia, Liu Yi

(Hanzhong Branch, AVIC Aircraft Co., Ltd., Hanzhong 723000, China)

The slipstream of the aircraft with four turbo-propellers affects large area around the aircraft, and the induced variation of lift, drag, and pitching moment must be accurately measured to evaluate flight performance and quality. The aerodynamic force of the aircraft with slipstream effect is investigated quantitatively by powered wind tunnel tests, including the lift, drag, pitching moment and elevator efficiency characteristics. The wake flow field is measured by seven-hole probe technique. The research reveals that the lift and drag are increased due to the high speed slipstream, and the lift to drag ratio is reduced by 6% and 20% at typical cruise and climb condition respectively. The wake flow tests reveal that the slipstream sweeps from below the horizontal tail to above it with higher AOA(angle of attack), which causes the strongly non-linear variation of pitching moment and elevator efficiency.

slipstream; turbo-propeller driven aircraft; aerodynamic characteristics; wind tunnel test; seven-hole probe

2017-02-20；

2017-04-03

劉毅,evanliuyi@hotmail.com

1674-8190(2017)03-256-06

V211.71

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.03.002

趙曉霞(1967-)，女，碩士，研究員。主要研究方向：飛機設計。

劉 毅(1982-)，男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機氣動力設計。