直升機平尾縱向氣動特性計算與試驗相關性分析

龍海斌，吳裕平

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機在飛行過程中，平尾對保持俯仰方向上的穩定性有重要作用，通常依靠平尾來保持飛行過程中的迎角和速度靜穩定性[1]。同時，平尾對直升機的姿態角影響也比較大[2]。因此，在直升機研制過程中需要獲得比較全面的平尾氣動特性數據。其中側滑狀態的平尾縱向氣動特性數據在直升機飛行品質和載荷等計算過程中應用比較多[3]。目前主要采用風洞試驗和CFD計算的方法來獲得平尾縱向氣動特性數據[4]。風洞試驗在航空航天等領域的應用時間比較長久，基于風洞試驗結果的設計方法和流程也已經在多個型號中應用，具有非常高的可靠性和可信度。但是風洞試驗需要設計和制造風洞試驗模型，有時還需要等待風洞試驗室的檔期，并且在風洞試驗過程中修改氣動外形比較困難。隨著計算機技術和數值計算方法的發展，CFD計算方法在多個領域獲得了比較多的應用。在多個直升機型號研制過程中也采用CFD方法對機身、平尾和垂尾等部件的氣動特性進行計算。文獻[5]采用CFD計算方法對某型共軸式直升機的上平尾和下平尾的升力和俯仰力矩特性進行了計算與分析。在得到CFD計算結果之后，通常會將CFD計算值與風洞試驗結果進行對比分析[6]。針對直升機平尾和垂尾等的氣動特性CFD計算值與風洞試驗結果的對比分析，文獻[7]對AH-64直升機基本機身+“狗窩”和基本機身+“狗窩”+平垂尾等狀態進行了風洞試驗和CFD計算，研究了平垂尾對機身阻力的影響，并對比了阻力的CFD計算值和風洞試驗結果。文獻[8]采用兩種CFD方法對某型無人直升機的平尾和垂尾等的氣動特性進行了計算，并與風洞試驗結果進行了對比分析。文獻[9]分別對S-97共軸高速直升機的孤立機身和孤立機身+平垂尾的氣動特性進行了CFD計算分析，并與風洞試驗結果進行了對比分析，求解過程采用笛卡爾網格劃分。文獻[10]對兩型直升機的平尾大攻角氣動特性的CFD計算值與風洞試驗結果之間的相關性進行了研究。CFD計算模型包括全尺寸模型和縮比模型。本文采用CFD計算方法對側滑狀態時某無人直升機的選定機身狀態氣動特性進行了計算，提取出了平尾縱向氣動特性，并與風洞試驗結果進行了對比分析。之后分別采用增量法和比值法對平尾縱向氣動特性CFD計算值與風洞試驗結果之間的相關性進行了分析。

1 風洞試驗

某型直升機平尾氣動特性試驗在某回流式風洞中進行。本次風洞試驗所在試驗段的截面為扁八角形，主要尺寸為3m×2.5m。風洞試驗過程中采用腹部支撐方式安裝試驗模型。靠近機身腹部一側的支架為兩根圓柱支桿，靠近風洞地板一側的支架安裝了翼型截面整流罩。受風洞試驗段截面尺寸的限制，風洞試驗模型采用縮比模型。風洞試驗過程中采用塔式六分量機械-應變天平測量阻力、升力和俯仰力矩系數。機械-應變天平的量程比較大，運行過程中受外界電磁干擾等影響比較小。在風洞試驗過程中采用增量法來獲得平尾的氣動特性數據。即首先進行選定機身狀態的風洞試驗；之后將平尾拆除，即去平尾狀態，再進行去平尾狀態的風洞試驗；最后將選定機身狀態的氣動特性數據減去去平尾狀態的氣動特性數據，即得到平尾的氣動特性數據。得到的風洞試驗數據進行了支架干擾修正和洞壁干擾修正。支架干擾修正采用鏡像兩步法，洞壁干擾修正包含分離流和阻塞修正。

2 CFD計算

2.1 計算模型

在進行網格劃分之前首先要選定計算模型。CFD計算模型以機身、平尾等部件的幾何理論外形為基礎，同時考慮風洞試驗模型的設計特點等。對部分比較小的空和縫隙等進行修理，以方便后續網格劃分。本次CFD計算模型采用縮比模型，尺寸與風洞試驗模型尺寸一致。選定機身狀態和平尾的CFD計算模型如圖1所示。選定機身狀態包括機身、主槳轂、起落架、尾梁、垂尾和平尾等部件，其中平尾布置在垂尾頂部，為T型平垂尾布局。

2.2 網格劃分

網格劃分是CFD計算中的一項重要工作，通常要占用整個CFD計算60%左右的人力資源和工作時間。目前常用的網格有結構網格、非結構網格等類型。由于機身外形比較復雜，因此本次計算采用非結構網格劃分，劃分方法為八叉樹。該方法首先用一個方體覆蓋整個計算域；之后不斷細分為八個小的方體，直到滿足相應的空間和表面網格尺寸的設定值；最后將各方體劃分為四面體。為了提高CFD計算結果的準確性，對平尾前緣和后緣等區域的面網格尺寸設置得比較小，這些區域劃分得到的四面體網格也比較細。平尾部分的網格劃分如圖2所示。

圖1 選定機身狀態和平尾CFD計算模型圖

圖2 平尾網格劃分示意圖

2.3 數值求解

空氣流動的控制方程為N-S方程。目前求解N-S方程的方法主要有雷諾平均(RNAS)、大渦模擬(LES) 、直接數值模擬(DNS)和格子玻爾茲曼(LBM)等。其中,雷諾平均方法占用內存比較少，計算速度也比較快，同時計算結果的準確性和可靠性等都基本滿足工程應用的需求,因此在直升機機身等部件的氣動特性計算中應用比較廣泛。

雷諾平均方法求解N-S方程的基本思想是，首先將滿足動力學方程的湍流瞬時運動分解為平均運動和脈動運動兩部分，之后通過雷諾應力項的模化來體現脈動運動部分對平均運動的貢獻，即通過湍流模型來使得N-S方程封閉，從而進行求解。常用的湍流模型有一方程S-A模型、二方程k-ε模型、k-ε模型和SST模型等。其中S-A模型能很好地處理低雷諾數流動中粘性影響的邊界層區域，在航空領域應用比較廣泛。該模型增加的輸運方程如下：

(1)

在劃分網格之前對平尾部分進行單獨命名，完成CFD計算之后從計算結果中取出單獨平尾的縱向氣動特性結果。在計算過程中設置計算域的邊界為壓力遠場條件，設置來流速度為60m/s，與風洞試驗過程中的來流速度一致。首先計算0°側滑角時的縱向氣動特性，之后不斷增大側滑角。

3 結果對比分析

采用CFD方法分別計算了無側滑(β=0°)、小側滑(β=8°)、中等側滑(β=16°)和大側滑(β=32°)狀態的平尾縱向氣動特性，包括阻力、升力和俯仰力矩特性，并與風洞試驗結果進行了對比，如圖3所示。

圖3 平尾縱向氣動特性計算與試驗結果對比圖

從整個圖中可以看出，平尾縱向氣動特性的CFD計算值與風洞試驗結果隨攻角和側滑角的變化趨勢一致。從圖3(a)中可以看出，平尾阻力系數的CFD計算值隨攻角的變化比較光順，而風洞試驗結果隨攻角的變化有一定的跳躍。這是由于在攻角比較大時，風洞試驗模型的部分區域存在流動分離，而目前CFD計算方法對這些分離流動的模擬能力比較弱。在小攻角范圍內，各側滑狀態的平尾阻力系數比較接近；隨著攻角的不斷增大，各側滑狀態的平尾阻力系數有一定的差別。分析圖3(b)中的升力系數變化趨勢可以發現，在負攻角范圍內，隨著側滑角的不斷增大，平尾的升力系數不斷增大。在正攻角范圍內，側滑角的變化對平尾升力系數的影響比較小。類似地，由圖3(c)可以看出，在負攻角范圍內，俯仰力矩系數隨側滑角的增大而不斷減小。同樣地，在正攻角范圍內，隨著側滑角的增大，平尾的俯仰力矩系數基本上不變。

4 相關性分析

4.1 增量法分析

首先采用增量法研究平尾縱向氣動特性CFD計算值與風洞試驗結果之間的相關性，即將平尾縱向氣動特性的風洞試驗結果減掉CFD計算值，得到兩種差值隨攻角的變化情況。從圖4的整體情況來看，隨著攻角絕對值的不斷增大，風洞試驗結果與CFD計算值之間的差值不斷增大。從圖4(a)中可以看出，在負攻角范圍內，大側滑狀態的差值比較大；而在正攻角范圍內，小側滑狀態的差值相對比較大。這是由于在負攻角范圍內，兩者之間的差值主要是因氣動分離引起的，大側滑狀態時的氣動分離比較大；而在正攻角范圍內，兩者的差值主要是機身和主槳轂等對平尾的氣動干擾引起的，小側滑狀態時，機身和主槳轂等對平尾的氣動干擾比較大。由圖4(b)中的升力系數差值變化趨勢可以發現，隨著攻角的增大，平尾升力系數的差值不斷減小。在計算的側滑角范圍內(0°～32°)，隨著側滑角的增大，升力系數差值的絕對值的最大值也不斷減小。這是由于平尾的截面為反裝的非對稱翼型，在負攻角時流動分離更嚴重。分析圖4(c)中的俯仰力矩系數差值變化趨勢可以看出，隨著攻角絕對值的減小，平尾俯仰力矩系數差值不斷減小。在大部分攻角范圍內，中等側滑狀態(β=16°)的俯仰力矩系數差值比較小。這是由于無側滑狀態下機身和槳轂等對平尾有氣動干擾作用，而在大側滑狀態，平尾處的流動分離比較大。

圖4 縱向氣動特性試驗與計算結果差值對比圖

4.2 比值法分析

針對CFD計算值與風洞試驗結果之間的差異，采用比值法繼續分析兩者之間的相關性，即將風洞試驗結果除以CFD計算值，分析兩者的比值隨攻角和側滑角的變化情況。分析圖5中的整體變化情況可以發現，在小攻角范圍內，風洞試驗結果與CFD計算值的比值比較大。這是由于在小攻角范圍內，平尾縱向氣動特性的值比較小，CFD計算過程中產生的比較小的誤差都會導致比值比較大。其中小側滑狀態兩者的比值比較小。這是由于在小側滑狀態，機身和槳轂等部件對平尾的氣動干擾比較小，同時由于側滑角相對比較小，氣動分離還比較小。因此CFD計算值與風洞試驗值比較接近，而且CFD計算結果比較穩定。分析圖5(a)中平尾阻力系數的比值可以看出，在負攻角范圍內，風洞試驗結果與CFD計算值的比值變化大。

5 總結與討論

通過對某型無人直升機的平尾縱向氣動特性進行CFD計算，并采用增量法和比值法對CFD計算值與風洞試驗結果進行相關性分析，可得出如下結論：

圖5 縱向氣動特性試驗與計算結果比值對比圖

1)目前CFD計算得到的平尾縱向氣動特性的變化趨勢與風洞試驗結果一致，說明CFD方法具有一定的準確性和可靠性。

2)隨著攻角絕對值的增大，CFD計算值與風洞試驗結果之間的差值不斷增大。但是兩者之間的比值在小攻角范圍內比較大。

3)在小側滑和中等側滑狀態，CFD計算值與風洞試驗結果之間的差值和比值都相對比較小。

4)綜合考慮增量法和比值法的分析結果，采用比值法對平尾縱向氣動特性CFD計算結果進行修正相對比較合適。