KFM翼型的氣動特性分析

葉龍海 朱亞男

摘 要 KFM翼型是一種新型翼型，與常規翼型相比，其在機翼表面上采用階梯形式，從而對機翼的氣動特性造成改變，本文采用Xflr5軟件對Clark Y翼型和KFM翼型進行氣動分析，KFM翼型在小迎角時的升力系數和升阻比均比Clark Y翼型的升力系數和升阻比大，通過翼型表面壓力分析，在機翼迎角較大時，在KFM翼型的階梯處會出現紊流，從而使飛機的升力系數和升阻比減小。

關鍵詞 KFM翼型；升力系數；升阻比

機翼是飛機升力的來源，人們通過不斷地改變機翼的形狀，從而使飛機的性能不斷提高。隨著時代和科技的發展，人們對飛機的飛行性能的要求不斷提高，從而出現了更多的機翼種類，如S形翼型，雙凸翼型等。一種優越的機翼可以促使一個國家的航空領域更加強大，在軍事和商用上都會產生巨大的經濟利益，在現實中能有效地使飛機的飛行性能更加穩定，提升飛機的安全性和操作性[1]。

1 KFM翼型原理

KFM翼型在其弦長的50%～60%出現階梯，階梯高度為翼型厚度的9%～12%，如圖 1所示，當氣流流過KFM翼型時，在階梯后形成旋轉的附著渦流，渦流與KFM翼型組成了一個傳統翼型的形狀，由于空氣與其之間的阻力非常小，從而減小了飛機機翼所受的阻力。

2 KFM翼型設計

為了便于對KFM翼型的研究，以Clark Y為原型機翼，在其上翼面制作階梯，通過對比兩個翼型的升力系數，升阻比等關鍵參數，從而得出KFM翼型的優勢和不足。

KFM翼型家族眾多，本文只針對KFM-2和KFM-3翼型進行了理論驗證，選用弦長為336mm，厚度為30mm的Clark Y翼型為原始翼型，KFM-2翼型在Clark Y機翼弦長的50%處開始制作階梯，階梯高度為機翼厚度的9%。KFM-3的第一個階梯與KFM-2相同，KFM-3翼型的第二個階梯從KFM-2翼型的階梯與上翼面相交處開始制作，如圖3，圖4所示[2]。

3 KFM翼型模擬計算

3.1 KFM-2翼型和KFM-3翼型分析

本文通過KFM翼型與ClarkY翼型的升阻比和迎角的關系以及升力系數和迎角的關系等進行對比。由于對翼型的修改使機翼上翼面后緣出現了一個90°的階梯，而這種翼型在上表面非線性的外形變化導致了氣動特性的非線性變化，所以在進行軟件分析時進行階梯的趨近化模擬，即在階梯處用一條光滑的圓弧進行替代。

通過把翼型數據導入XFLR5翼型分析軟件中，并設置Re=10000，Ma=0，得到圖 4升力系數與迎角的關系圖 （藍色曲線為Clark Y翼型，紅色曲線為KFM-2翼型，青色曲線為KFM-3翼型），KFM-2翼型在迎角小于7°時有較好的升力系數，并且在迎角小于7°時升力系數比Clark Y較大，當迎角大于7°時，升力系數與Clark Y翼型相比反而減小，通過數據看到，KFM-2的失速迎角與Clark-Y幾乎重合，通過分析Clark-Y翼型、KFM-2翼型和KFM-3翼型迎角為7°時翼型表面的氣流狀態，發現在KFM-2和KFM-3翼型上表面階梯處會出現回旋的渦流，并且階梯的增多，會造成回旋渦流的增多，渦流與KFM翼型組成了一個傳統翼型的形狀，由于空氣與其之間的阻力非常小，從而飛機機翼的升力系數增加。并且KFM-3翼型在迎角小于7°時，升力系數比KFM-2翼型的升力系數較大，但是增多并不明顯。當迎角大于7°時，由于氣流分離點前提，不會在階梯上形成回旋的渦流，反而在階梯處發生紊流，從而使機翼的升力系數下降[3]。

如圖5（藍色曲線為Clark Y翼型，紅色曲線為KFM-2翼型，青色曲線為KFM-3翼型）所示，KFM-2翼型的升阻比在迎角小于8°時比Clark Y翼型的大，當迎角大于8迎時升阻比沒有Clark-Y翼型大，這是因為在迎角小于8°時，升力系數的增加大于阻力系數的增加，所以升阻比整體增加，但是當迎角大于8°時，阻力的增加大于升力的增加，所以升阻比整體減小，但是在3°-8°之間KFM-2和KFM-3之間阻力系數會先增加然后減小，因此在3°-8°之間升阻比會先減小后增大[4]。

與Clark Y不同的是，在ClarkY升阻比下降附近KFM-2翼型升阻比小幅度下降，到達Clark Y的升阻比下降點后又小幅度上升，而后到達自己的飛機失穩點，但是KFM-2翼型的失穩點相對Clark Y飛機的失穩點卻往后移動了，而兩個機翼之間的差距在于KFM-2存在階梯。說明階梯的存在會使升阻比的失穩處發生波折，但是會相應地使飛機的失穩點靠后。

圖4所示，KFM-3的升力系數在小迎角時升力比Clark Y較大，但是在8°以后，升力系數較Clark Y較小，如圖5所示，升阻比在小迎角時同樣比Clark Y較大，并且在Clark Y附近升阻比波動較大，但是失速迎角靠后。

觀察圖4和圖5中KFM-2和KFM-3翼型的升力系數、升阻比與迎角的關系，發現KFM-2和KFM-3翼型的升力系數與迎角的關系曲線幾乎重合，但是升阻比與迎角關系的曲線卻不重合，并且當迎角在3迎-8迎之間時，KFM-3出現的波動比KFM-2較大，升阻比與迎角關系曲線波動幅度較大。

3.2 KFM-2翼型和KFM-3翼型表面壓力分析

通過對KFM-2和KFM-3的升力系數與迎角曲線的觀察，發現KFM-2的升力較KFM-3較好，升阻比也比KFM-3多了一個波折區間，從而得到階梯的增多不但不能提高機翼的升力系數，反而使機翼的升力系數下降。在KFM-2和KFM-3翼型上表面階梯處的壓力較為集中，而KFM-3翼型表面的壓力更為集中，這說明階梯的增多會造成升力的過多損失，對升阻比的波折會更加明顯[5]。

4 結束語

（1）KFM-2在小迎角時升力系數比Clark Y較大，隨著迎角的增加，升力系數慢慢變得沒有Clark Y大。

（2）KFM-2的升力系數較KFM-3較好，升阻比也比KFM-3多了一個波折區間，這表明階梯的增多并不會增大升力系數和升阻比，反而會減小升力系數和升阻比。

（3）KFM-2翼型的升阻比在小迎角時比Clark Y翼型的大， KFM-2失速迎角較大。

參考文獻

[1] 張煒，蘇建民，張亞鋒.模型飛機的翼型與機翼[M].北京：航空工業出版社，2007：57.

[2] 陳康生.創新KFm翼型大不同[J].航空模型，2015，（10）：34-37.

[3]馮志壯，李斌.表面凹凸充氣機翼的氣動特性研究[J].航空工程進展，2014，5（1）：38-45.

[4] 呂強，葉正寅，李棟.充氣結構機翼的設計和試驗研究[J].飛行力學，2007，25（4）：77-80，85.

[5] 賈青萍.充氣式機翼結構設計及性能分析[D].北京：北京航空航天大學航空科學與工程學院，2006.

作者簡介

葉龍海（1988-）男，畢業院校：飛行學院安陽工學院，專業：機結構強度、飛機結構分析，講師；現就職單位：安陽工學院飛行學院；研究方向：飛機結構強度、飛機結構分析。