螺旋槳滑流對飛機縱向氣動特性的影響研究

李興偉,李 聰,高 靜,李盛文

(中國航空工業空氣動力研究院,哈爾濱 150001)

螺旋槳滑流對飛機縱向氣動特性的影響研究

李興偉*,李 聰,高 靜,李盛文

(中國航空工業空氣動力研究院,哈爾濱 150001)

采用螺旋槳飛機動力模擬風洞試驗技術及粒子圖像測速技術，研究雙發常規布局渦槳飛機的螺旋槳滑流對飛機縱向氣動特性的影響規律。通過測力風洞試驗研究螺旋槳不同位置處滑流對飛機的升阻特性、力矩特性及平尾下洗等縱向氣動特性的影響，利用PIV技術研究測力試驗優選槳盤位置的飛機部件典型剖面受滑流影響時的流場變化情況。研究結果表明，螺旋槳下沉后滑流對飛機升阻特性的不利影響最明顯，螺旋槳前伸和安裝角由正變負時滑流對飛機的升阻特性均有改善，而螺旋槳前伸在飛機失速迎角附近對升力特性的改善更為明顯。

螺旋槳滑流；短艙位置；風洞試驗；PIV試驗

0 引 言

螺旋槳會對飛機產生較大的動力影響，這種動力影響包括直接影響和間接影響。直接影響主要是螺旋槳產生的拉力、扭矩和法向力對飛機氣動特性的附加影響；間接影響是指螺旋槳產生的滑流與飛機各部件之間的干擾作用，這種影響使飛機升力、阻力增加，下洗發生變化，飛機的操縱性、穩定性及舵面效率均受影響。

螺旋槳滑流對于飛機縱向氣動特性影響的研究，一直以來都受到渦槳飛機設計者的廣泛關注。近年來，國內外關于螺旋槳滑流的風洞試驗研究以及數值計算研究都取得較多的研究成果，如2004年，Arne W.Stuermer[1]在非定常條件下，做了螺旋槳滑流對機翼影響的研究，得到滑流使升力增加的同時，也使阻力、滾轉力增加的結論。2014年，楊小川[2]等人利用動態拼接結構網格技術和雙時間步推進方法，研究了雙發渦槳飛機螺旋槳非定常滑流效應并分析了滑流對流場的影響，得出了飛機部件受滑流影響后升力系數增加的結論及飛機表面流場受滑流影響的變化情況。

目前的研究多是基于螺旋槳位置固定的情況去研究滑流影響，為了能夠更加合理地利用滑流影響，本文開展了螺旋槳不同位置處的滑流影響研究。

1 試驗設備與模型

1.1風洞及支撐設備

本文研究所使用風洞為中航氣動院FL-8風洞，該風洞為低速單回路閉口風洞，試驗段截面為扁八角形，試驗段截面尺寸是2.5m×3.5m，試驗段長度為5m，空風洞最大風速為73m/s。本期滑流風洞試驗采用叉形支桿腹撐，試驗迎角范圍和側滑角范圍分別是-4°～24°和-16°～16°。無動力試驗風速為70m/s，帶動力試驗風速為30m/s。

1.2試驗模型

試驗模型以常規布局雙發渦槳飛機帶動力模型為基礎，模型縮比的比例為1∶12。短艙部件相對于原有基準位置進行了2次前伸量變化，2次下沉量變化，2次安裝角變化，共6種狀態變化。本文所提及的模型短艙基準狀態即下沉量0mm，前伸量0mm，安裝角+1°。PIV試驗選取飛機部件典型的縱橫向剖面，縱向將選擇2個剖面，一個是通過短艙中心線且平行飛機對稱面的剖面，另一個是短艙中心線左側(駕駛員方向)168mm處，即槳盤邊緣處剖面。橫向剖面將選擇3個剖面，分別是襟翼后緣剖面(1#剖面)、后機身剖面(距離1#剖面398mm)、平尾前剖面(距離1#剖面992mm)。具體位置如圖1所示。

圖1 試驗模型及短艙內部結構的數模Fig.1 Schematic of test model and nacelle inside structure

表1 螺旋槳位置變化參數說明Table 1 Propeller position parameters

2 試驗方法與試驗項目

2.1試驗方法

滑流測力試驗均采用叉形支桿腹撐系統支撐機構，該機構由24棱支桿、尾支桿、曲柄滑塊機構和圓柱形主支桿組成，通過電機帶動絲杠驅動滑塊以改變尾支桿上下位置，從而實現迎角的變化。模型通過腹撐支桿和天平固連于風洞外的叉形腹撐架車轉盤上，通過電機驅動轉盤來實現側滑角的變化。

PIV試驗中利用縱向剖面試驗測量順氣流激光片光區二維速度場，光源位于試驗段后方，即激光器安裝在風洞試驗段后方的三維移測架上，由后向前形成片光，2臺相機安裝在風洞外三自由度移測架上，從側面拍攝激光片光區流場。橫向試驗測量垂直于順氣流激光片光區二維速度場，激光器安裝在風洞外支架上，激光片光通過風洞側面玻璃在模型左側形成片光區，1臺相機安裝在試驗段后方的三維移測架上，由后向前拍攝片光區二維速度場。

2.2試驗項目

本期滑流測力風洞試驗研究項目包括：螺旋槳基準位置的滑流試驗、螺旋槳不同下沉量的滑流影響研究試驗、螺旋槳不同前伸量的影響研究試驗及螺旋槳不同安裝角的影響研究試驗。PIV試驗研究項目包括槳盤基準位置、前伸16.67mm及安裝角-1°時的流場測量與圖像顯示試驗。PIV試驗選取的模型狀態為起飛構型(后緣襟翼偏度20°)、拉力系數Tc=0.15進行試驗，迎角選擇了0°和4°。

2.3試驗數據處理

滑流測力試驗數力和力矩系數均以風軸系給出，本文曲線中全機數據均為扣除了單槳拉力及拉力引起力矩后的數據。此外，試驗數據處理時扣除了模型自重的影響，并未扣除支架干擾影響。

3 測力試驗結果分析

3.1短艙位置變化對飛機縱向氣動特性影響

從圖2中可以看到，無動力時短艙下沉對升力系數曲線影響較為明顯，短艙下沉致使升力系數降低，升力系數曲線整體向下平移。短艙基準狀態、短艙下沉量4.17mm和短艙下沉量8.33mm的零迎角升力系數分別為0.805、0.796和0.789。

圖2 短艙位置變化對全機縱向氣動特性的影響Fig.2 Effect of nacelle position on longitudinal aerodynamic characteristics

短艙下沉對全機阻力系數曲線、縱向靜穩定性及最大升阻比等參數影響不明顯。短艙前伸對升力線斜率、最大升力系數及最大升阻比影響較小，但阻力系數增加且縱向靜穩定性降低。短艙安裝角變化對全機縱向氣動特性影響不明顯。

3.2螺旋槳的不同位置對飛機縱向氣動特性影響

比較螺旋槳在本期試驗各個方向的極限位置(下沉8.33mm、前伸16.67mm及安裝角-1°狀態)的試驗曲線可知，螺旋槳下沉對全機的升力特性產生較明顯的不利影響。但對比短艙下沉的無動力試驗曲線可以看到，無動力時短艙下沉對升力特性影響相對較小，故螺旋槳的位置下沉后滑流對升力特性產生不利的影響是最主要的，且全機的縱向靜穩定性降低，而飛機的阻力特性及最大升阻比受其影響非常小。螺旋槳安裝角-1°及螺旋槳前伸2種狀態相對于基準位置都會產生一定程度的有利的滑流影響，螺旋槳前伸對飛機升力特性的有利影響是最明顯的，尤其是達到失速迎角附近。螺旋槳這2種狀態時全機的最大升阻比增加量基本相當，但相對于螺旋槳基準位置，安裝角-1°及前伸同樣造成了全機縱向靜穩定性的降低，安裝角-1°時靜穩定性降低得更加明顯。螺旋槳位置的變化對全機阻力特性影響不明顯。

圖3 螺旋槳位置變化后滑流對全機縱向氣動特性的影響Fig.3 Slipstream effect on longitudinal aerodynamic characteristics with varying propeller positions

3.3螺旋槳的不同位置對平尾的下洗影響

本文試驗中采用的是巡航構型拉力系數0.075的條件下進行的平尾下洗研究試驗，平尾安裝角為-2°、0°、+2°及無尾試驗。表2是利用交點法[9]標定平尾的平均下洗角及下洗率。故可以得出結論：螺旋槳滑流使得平尾處氣流下洗作用加劇。螺旋槳安裝角由正變負及螺旋槳下沉使得平尾的平均下洗角增加，螺旋槳下沉及前伸使得下洗率減小。

表2 螺旋槳不同位置處對平尾下洗角和下洗率的影響Table 2 Influence of propeller position on horizontal tail downwash angle and slope

4 PIV試驗結果分析

4.1螺旋槳基準位置滑流影響PIV試驗結果

通過螺旋槳滑流測力試驗得出的結果，可以利用PIV試驗更加直觀地從流場變化情況去分析。圖4是槳盤在基準位置時迎角0°和4°的PIV縱橫向試驗結果。

4.1.1縱向剖面試驗結果

圖4中是全機起飛構型有無滑流對比的PIV試驗結果，圖4(c)標注區域為模型襟翼附近。首先，圖中可以明顯看到短艙中心線截面流場受螺旋槳滑流的影響，槳盤后短艙上下表面氣流的加速效應明顯，加速氣流略過機翼上表面襟翼縫道產生了渦流。同時，從圖中可以看到滑流掠過機翼后尾跡區域的下洗，這主要是由于襟翼下偏造成的。迎角4°時短艙上表面氣流流速相對減弱，且2#剖面的滑流尾跡區流速相對較強。

圖4 螺旋槳基準位置短艙中心線剖面和槳尖機翼剖面有無滑流的PIV試驗結果
Fig.4NacellecentralprofilewithpropellerattheoriginalpositionandpropellertipprofilewithslipstreaminfluenceofPIVtestresults

4.1.2橫向剖面試驗結果

對比有無滑流的3組試驗結果可以發現槳盤后氣流的旋轉效應非常明顯，且隨著空間位置的后移旋轉氣流的強度逐漸減弱而面積逐漸增大。從圖中可以清晰地看到槳后渦的形成到逐漸擴散直至最后渦破裂的過程及渦核隨著氣流的延伸而逐漸下移的過程。此外，迎角4°可以發現1#剖面氣流旋轉速度不均勻性增加，2#剖面的滑流尾跡區流速略有增加。

4.2螺旋槳前伸及安裝角-1°滑流影響PIV結果

螺旋槳前伸和安裝角由正變負會帶來一定程度有利的滑流影響，故利用PIV試驗更加直觀地展現滑流與飛機部件的干擾。

圖5 螺旋槳基準位置無動力、帶動力迎角0°和4°的PIV試驗結果Fig.5 Transverse profile of PIV test with propeller at the original position,at angle 0° and 4°,and with both power off and power on

4.2.1縱向剖面試驗結果

首先，圖6中可以明顯看到短艙中心線剖面的流場情況，螺旋槳安裝角-1°狀態相對于螺旋槳基準狀態短艙上表面尤其是襟翼附近氣流的流速明顯增加。螺旋槳安裝角-1°狀態與螺旋槳前伸狀態對短艙上表面氣流的加速情況基本一致，但短艙下表面氣流的加速效應則相對較弱。

圖6 螺旋槳前伸及安裝角-1°時短艙中心線剖面PIV試驗結果Fig.6 Nacelle central profile of PIV test with forward propeller and install angle of -1°

其次，從圖7中也可以看到，螺旋槳安裝角變化后槳后滑流在翼尖-機翼剖面的氣流強度變化不明顯，但可以看到流線的下洗情況明顯加劇。

圖7 螺旋槳前伸及安裝角-1°時槳尖-機翼剖面PIV試驗結果Fig.7 Propeller tip profile of PIV test with forward propeller and install angle of -1°

4.2.2橫向剖面試驗結果

首先，圖8是螺旋槳安裝角-1°狀態相對于螺旋槳前伸狀態橫向1#剖面的試驗結果(即襟翼后緣的橫向剖面)，對比基準狀態可以看到螺旋槳滑流的旋轉效應受安裝角變化的影響不大，同時發現安裝角變化后相對于螺旋槳前伸狀態橫向1#剖面旋轉氣流流速相對均勻。

其次，通過對比螺旋槳安裝角-1°狀態與螺旋槳基準狀態及螺旋槳前伸狀態的2#剖面流場速度分布圖發現，螺旋槳安裝角-1°狀態的2#剖面速度分布與螺旋槳前伸狀態的2#剖面速度分布基本一致。

圖8 螺旋槳安裝角-1°PIV試驗橫向剖面圖像Fig.8 Transverse profile of PIV test with propeller install angle of -1°

再次，安裝角-1°狀態螺旋槳滑流在3#處的影響與基準位置的影響基本一致，說明滑流到達平尾前緣時已經受螺旋槳位置的影響不大了。

5 結 論

結合螺旋槳不同位置處的滑流風洞試驗數據與PIV試驗結果，可以得到如下結論：

(1) 螺旋槳位置下沉后滑流對飛機的升阻特性產生了較為不利的影響，從風洞試驗結果的升力曲線中可以發現明顯的下移趨勢，且隨著下沉量的增加阻力系數略有增加；

(2) 螺旋槳位置前伸后滑流對飛機的升阻特性的有利影響較為明顯，升力特性在失速迎角附近有明顯的改善，前伸后滑流使得阻力系數減小。通過PIV試驗得到的速度分布圖像可以發現，螺旋槳前伸后短艙上表面氣流加速明顯，尤其是滑流推遲了襟翼附近氣流的分離使得失速迎角附近的升力特性改善。螺旋槳位置的前伸造成了襟翼后緣氣流旋轉的周向速度略有降低；

(3) 螺旋槳安裝角由正變負后滑流對飛機的升阻特性有一定程度的有利影響，升力系數曲線線性段的有利影響較為明顯。通過短艙中心線剖面PIV結果可以發現短艙下表面流速降低。

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李興偉(1986-)，男，山東省滕州人，碩士，工程師。研究方向：螺旋槳滑流風洞試驗。通信地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區一曼街2號中航工業氣動院(154100)。E-mail：plumrisegrea@sina.com

(編輯：張巧蕓)

Propellerslipstreameffectonlongitudinalaerodynamiccharacteristicsofairplane

Li Xingwei*,Li Cong,Gao Jing,Li Shengwen

(Aerodynamics Research Institute of Aeronautics,Haerbin 150001,China)

Using the dynamic simulation and PIV test technology for propeller aircraft,research on the propeller slipstream effect on the longitudinal aerodynamic characteristics of the conventional layout twin-engined turboprop aircraft is conducted.Wind tunnel test is used to study the slipstream effect on longitudinal characteristics as the propeller position changes,such as the aircraft lift and drag characteristics,moment characteristics and horizontal tail downwash.PIV test is used to setting out typical section of aircraft components,mainly focus on the position conformed by slipstream wind tunnel test.Slipstream has bad effect especially on lift and drag characteristics when the propeller position sinkage.Both extending the propeller position forward and changing the propeller installation angle can improve the aerodynamic characteristics of the aircraft,while the aircraft lift characteristic is improved obviously especially around the stall angle when the propeller position extends forward.

propeller slipstream effect;propeller position;wind tunnel test;PIV test

V211.3

A

1672-9897(2017)05-0046-08

10.11729/syltlx20160185

2016-12-03;

2017-01-03

*通信作者 E-mail:plumrisegrea@sina.com

LiXW,LiC,GaoJ,etal.Propellerslipstreameffectonlongitudinalaerodynamiccharacteristicsofairplane.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2017,31(5):46-52,87.李興偉,李 聰,高 靜,等.螺旋槳滑流對飛機縱向氣動特性的影響研究.實驗流體力學,2017,31(5):46-52,87.