基于CFD的內附翼無人機的氣動設計與驗證

許雪梅 ，張 潔 ，華 杰

（1.蘇州大學，江蘇 蘇州 215000；2.黃河交通學院，河南 焦作 454950）

基于CFD的內附翼無人機的氣動設計與驗證

許雪梅1，張 潔2，華 杰2

（1.蘇州大學，江蘇 蘇州 215000；2.黃河交通學院，河南 焦作 454950）

本研究基于CFD數值優化從翼地效應擴展到應用于飛機機翼的設計，從外部看仍是一個機翼，但是前緣和后緣都是沒有封閉的。通過Fluent軟件分別計算了中間翼型距離上翼型距離H為1.5~10.5cm，取攻角為0度、4度和8度，共計21種參數組合工況，且計算0度迎角下單個翼型和大間距的內附翼的情況，計算結果表明內附翼的氣動性能具有較大潛力，當中間翼型距離上翼型距離為10.5cm設計的小間距內附翼氣動性能最好。最后通過制作和飛行試驗證明其性能優越。

內附翼；翼型設計；氣動分析；數值模擬；設計制作

在機翼設計方面，研究都是基于常用的翼型出發應用優化算法得到高性能翼。本研究從翼地效應擴展到應用于飛機機翼的設計。內附翼從外部看仍是一個機翼，但是前緣和后緣都是沒有封閉的，從橫截面看是多個翼型垂直方向的疊加組合。理論上此設計能明顯提高機翼的升力等氣動性能 。

基于CFD數值優化方法的內附翼的氣動優化設計給研究人員在機翼的氣動設計方面上提供了新的方向和數據參考。同時能滿足通用航空器和民用大飛機對于高升阻小翼展的要求，對于應用在無人機的機翼設計上也提供很好的方向。

1 翼型設計

目前常用的翼型參數化方法有形函數線性擾動法、特征參數描述法、正交基函數法和CST方法。常規翼型都可以近似看作有無數個該翼型的內切圓緊密排列在一起，這些內切圓與上下翼面切點的連線剛好分別構成翼型的上下表面。

綜合考慮文章采用內切圓表示法。通過對Profili翼型軟件翼型庫的篩選，確定適合的翼型，導入到CAD進行修改，確定三個疊加翼型組合成內附翼其間距為6cm，進行CFD計算仿真。

2 內附翼二維模型計算研究

（1）控制方程及計算。對于低速定常不可壓粘性繞流場，利用CFD-FLUENT軟件，求解雷諾平均N-S方程，并采用S-A湍流補充方程。Gambit網格劃分工具，運用分區網格生成技術，控制網格加密和網格數量。在二維翼型近物面流域中，采用非結構化網格并加密，其它的流域采用結構化網格。采用simple算法，邊界條件類型為速度入口、壓力出口和固體壁面。來流速度取為20m/s，弦長1m,標準海平面大氣條件，進行計算。分別計算了中間翼型距離上翼型距離H為1.5、3、4.5、6、7.5、9、10.5cm 的情況，取攻角為 0°、4°和 8°，共計21種參數組合工況，并且計算0°迎角下單個翼型和大間距的內附翼的情況，以探索其氣動特性的影響規律。

（2）結果與分析。如圖1內附翼的升力系數和阻力系數都隨著中間翼型距離上翼型距離H增大而增大，當中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時，升力系數和阻力系都最大。由表1知其升阻比隨間距波動但變化較小，而中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時的升阻比最大。所以當中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時內附翼的氣動特性最好。

圖1 0°時內附翼的升力系數和阻力系數與中間翼型距離上翼型間距關系

表1 時內附翼的升阻比與中間翼型距離上翼型間距關系

3 模型的設計制作與試飛

根據以上計算機CFD仿真結果選擇合適內附翼參數，根據任務等綜合計算，最終設計參數，翼展：0.8m；弦長0.2m；中間翼型距離上翼型間距0.06m；機身長0.8m。

使用Profili翼型軟件得到翼型數據，之后在CATIA中建立三維模型，最后導入到CAD二維修改建模軟件，繪制得到整機的二維圖，并制作。

經過試飛試驗，測得模型飛機的起飛滑跑距離為10 m,最大平飛速度為30m/s,最大爬升率為1m/s。圖2為無人機模型試飛照片。

圖2 無人機模型CAD圖和試飛照片

4 研究結論

（1）內附翼的升力系數和阻力系數都隨著中間翼型距離上翼型距離H增大而增大，當中間翼型距離上翼型距離為10.5cm時，升力系數和阻力系都最大，且其升阻比最大。升阻比隨中間翼型距離上翼型距離H波動但變化較小。

（2）迎角增大內附翼升力系數有較大的改變。當迎角為8°時升力系數是0°是兩倍多。

（3）通過飛行試驗說明內附翼無人機飛行性能優越。

［1］陳學孔.低雷諾數翼型氣動外形優化設計及其應用［D］.北京：國防科學技術大學，2011.

［2］李進良，胡仁喜.精通FLUENT6.3流場分析［M］.北京：化學工業出版社，2009.

許雪梅，女，江蘇高郵人，大學本科，主要研究方向：車輛設計。