基于CFD分析的水上飛機(jī)前起落架艙排水時(shí)間分析

詹大可 魏猛 張帆 陳永新 陳明生

中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司 廣東 珠海 519040

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防水和排水設(shè)計(jì)是腐蝕防護(hù)與控制的重要組成部分[1-2]。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展，在防水和排水設(shè)計(jì)上形成了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[3]，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水上飛機(jī)外部環(huán)境區(qū)域（如起落架艙）缺乏具體指導(dǎo)。

隨著起落架的收放作動(dòng)及在水面停留過(guò)程中浪涌波動(dòng)，水上飛機(jī)的前起落架艙將有水存留。一般地，水上飛機(jī)前起落架艙上部采用防水設(shè)計(jì)，下部設(shè)置排水口。當(dāng)水上飛機(jī)滑行離開水面轉(zhuǎn)移至陸地時(shí)，存留水體可通過(guò)排水口和艙門縫隙排出。但水上飛機(jī)在水面起飛過(guò)程中，如前起落架艙內(nèi)存留水體未能在短時(shí)間內(nèi)排出，可能對(duì)飛機(jī)重心及重心變化產(chǎn)生不可忽略的影響。為保證飛行安全，本文基于N-S方程和k-epsilon湍流模型，采用VOF計(jì)算模型對(duì)某型水上飛機(jī)在水面起飛過(guò)程中的前起落架艙殘存水體排出過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證當(dāng)前設(shè)計(jì)合理性，并為起落架艙排水口設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考。

1 研究對(duì)象

某型水上飛機(jī)的前起落架艙上半部分進(jìn)行了水密設(shè)計(jì)，下半部分通過(guò)艙門縫隙和兩個(gè)排水口與外界相連。前起落架艙布局如圖1所示。

圖1 前起落架艙布局示意圖

2 計(jì)算過(guò)程

2.1 選取計(jì)算模型

由于上半部分采用水密設(shè)計(jì)，由于無(wú)通氣口，當(dāng)進(jìn)水水位高于艙門縫隙后進(jìn)水將變得十分困難，故艙內(nèi)存留水的理論水線應(yīng)在艙門縫隙附近。但實(shí)際情況中存在浪涌波動(dòng)及水中收起落架后的液位波動(dòng)，考慮到過(guò)程分析復(fù)雜，且水線位置還隨飛機(jī)重量變化而變化，故按保守情況進(jìn)行分析和計(jì)算，取某型水上飛機(jī)最大重量狀態(tài)下的理論水線高度作為前起落架艙存留水體高度。

為縮短計(jì)算時(shí)間，對(duì)前起落架艙模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，形成前起落架艙排水時(shí)間的CFD計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 前起落架艙排水時(shí)間計(jì)算模型

2.2 生成網(wǎng)格

由于起落架艙模型為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故計(jì)算時(shí)進(jìn)行半模處理，計(jì)算網(wǎng)格采用笛卡爾網(wǎng)格，對(duì)縫隙區(qū)域進(jìn)行加密，并在壁面附近添加附面層，增長(zhǎng)層數(shù)都以自由增長(zhǎng)方式計(jì)算而定，全機(jī)網(wǎng)格數(shù)量約為600萬(wàn)，整體網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格化示意（半模）

2.3 控制方程

流場(chǎng)連續(xù)相計(jì)算控制方程為非定常N-S方程組和k-epsilon湍流模型，多相流模型選用流體域體積（VOF）方式，考慮多相交互作用和重力影響，選用分離流體等溫，忽略計(jì)算過(guò)程中的溫度變化。

2.4 邊界條件

半模對(duì)稱面的邊界設(shè)置對(duì)稱面，其余外場(chǎng)均設(shè)置為壁面。

2.5 初始條件

在歐拉相節(jié)點(diǎn)下設(shè)置H2O相和空氣相，其中H2O為恒密度，空氣相為理想氣體。指定連續(xù)體中兩個(gè)流體的空間分布作為計(jì)算基準(zhǔn)值，水面高度按圖1的水線高度設(shè)定。初始條件如圖4所示。圖4中粉紅色為水，藍(lán)色為水和空氣的交界面，即水面。

圖4 計(jì)算初始狀態(tài)示意

3 計(jì)算結(jié)果

排水過(guò)程典型狀態(tài)如圖5所示。

圖5 排水過(guò)程典型狀態(tài)

計(jì)算過(guò)程中監(jiān)控計(jì)算區(qū)域內(nèi)總水量（紅色線）和起落架艙內(nèi)剩余水量，得到圖6數(shù)據(jù)。可以看出總水量保持不變，表明計(jì)算質(zhì)量守恒，具備可信度。剩余水量逐漸減少，在約24s附近時(shí)艙內(nèi)積水基本排完。如圖6。

圖6 計(jì)算域總水量和起落架艙剩余水量

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某水上飛機(jī)前起落架艙為例，對(duì)水上飛機(jī)起落架艙排水問(wèn)題進(jìn)行了分析和計(jì)算，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)排水時(shí)間進(jìn)行了核算，核算結(jié)果表明本文計(jì)算方式可行，計(jì)算結(jié)果滿足一般工程計(jì)算的要求。本文提供的計(jì)算方式為水上飛機(jī)的前起落架艙排水問(wèn)題分析提供了理論依據(jù)和參考。值得注意的是，本文計(jì)算按飛機(jī)在最大重量時(shí)的水線位置作為存留水高度，實(shí)際狀態(tài)水線位置低于該高度，排水時(shí)間也將相應(yīng)縮短。