考慮階躍型地面的翼型前飛氣動特性影響研究

徐曉剛, 張 揚, 昌 敏, 陳 剛

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室,西安 710049;2.西北工業大學 無人系統技術研究院,西安 710072)

飛行器在近地飛行時,地面的阻滯效應使得下洗流的動壓轉換成靜壓,從而引起飛行器升阻比提升[1-2].地面類型變化會影響機翼下表面的壓力分布,使機翼的氣動特性發生較大改變.國內外圍繞靜態和動態地面效應開展了大量研究[3-10],但關于階躍型地面效應的研究并不多,而階躍型地面在飛行器飛行場景中十分常見,例如在艦載機起飛和著陸過程,航母甲板與海平面就是典型的階躍地面,為實現尺度有限甲板的安全起降,要求艦載機具有優良的低速性能,較高的飛行品質和設計技術.因此,研究飛行器在階躍型地面的氣動特性十分必要.

地面效應在二維翼型增升作用研究較為廣泛.早期Zerihan等[7]使用風洞進行大量的地面效應實驗,翼型為Tyrrell方程式賽車的前翼LS(1)-0413,發現隨著高度的減小,升力系數會增大,但在極近地面時升力系數會逐漸下降;Ahmed等[8]在風洞中對NACA0012翼型進行了地面效應測試,發現翼型上表面的壓力分布隨離地高度的變化很小,而升力增加來源于下表面壓力分布的改變;Yang等[9]通過數值模擬研究了地面效應下NACA0012翼型氣動特性受空氣壓縮性的影響,發現失速攻角(α)會隨著高度的降低而減小;Ahmed等[10]在低湍流風洞研究了翼型的地面效應,并得出了相同的結論;Qu等[11]對比了NACA4412翼型定常和非定常地面效應的差異,根據升力增量將迎角和高度分成了3個區域,分析了不同范圍攻角的流場;秦緒國等[12]進行了非定常的水面波浪模擬,用流體體積(VOF)方法模擬波浪水面,比較NACA2410翼型在固定波浪地面和水面波浪流場的差異,發現固定地面波浪升力和力矩系數的結果更接近余弦曲線分布;張海潮等[13]在拖曳水槽中模擬機翼在低雷諾數條件下的地面效應,水槽底部鋪有硬質的波浪形曲面,同時使用粒子圖像測速(PIV)測量機翼位于曲面地形的波峰和波節等不同相位下翼尖渦的速度場規律,發現離地高度較低時,曲面地形會使翼尖渦提前發生耗散并產生明顯的展向位移,大攻角下周期性曲面具有更高的增升減阻效率;Zhu等[14]研究了柔性仿生翼振動和滑翔時的地面效應特性,獨特之處在于通過雙向流固耦合分析柔性翼的受力和變形以及柔性翼周圍流場的變化;Nuhait等[15]對定常和非定常地面效應進行了參數分析,發現展弦比的增大會增強矩形和三角形平面的定常和非定常效應;樂挺等[16]基于理論分析,主要對地效飛機的縱向穩定特性進行了研究,得到了保證動穩定性時飛機重心與迎角焦點、高度焦點的位置關系.近幾年隨著數值模擬的不斷發展,動網格技術逐漸成熟;Qu等[17]使用滑移網格模擬地面,研究了某型地效飛行器波浪狀海面上的氣動性能,詳細分析了波浪面、飛行高度和攻角對氣動特性和流場的影響,之后使用動態分層網格技術,研究了不同的地面邊界條件起飛過程[18],發現在相同高度和攻角條件下,相對于靜態地面效應的升力增量受到流動滯后和真空效應共同的影響,動態地面效應的流動滯后增加動態過程的有效攻角,但真空效應降低了翼型下表面地面處的壓力,使升力減小;Roozitalab等[19]研究了階躍地面效應對翼型起飛和降落氣動特性的影響,通過對比NACA4412翼型在有無Gurney襟翼的升力和阻力系數,說明Gurney襟翼在起飛和著陸過程都會導致升力和阻力系數產生更大變化,著陸下的升力衰減量和阻力增加量均明顯高于起飛過程對應的變化量.

以NACA4412翼型為例,通過重疊動網格方法研究在階躍型地面的影響下,從渦量、流線、駐點等方面詳細介紹整個過程翼型周圍流場的變化,深入分析地面與翼型之間的相互作用機理,探討地面形狀變化與翼型氣動特性的關聯性與階躍型地面效應對翼型氣動性能的影響.

1 數值模擬方法

直角坐標系下偏微分形式的二維不可壓非定常Navier-Stokes方程[20]為

(1)

(2)

(3)

式中:u、v為x、y方向的速度分量;ρ為流體密度;p為流體壓力;μ為流體黏性系數.

k-ωSST湍流模型是一個兩方程湍流模型,適合求解低速流動問題,方程[21]為

(5)

式中:ω為比耗散率;k為湍動能;ε為湍動能耗散率;uj(j=1, 2, 3)為速度分量;F1為加權函數;P為混合函數;μt為湍流動力黏性;vt為湍流運動黏性;β*、β、σk、σω、σω2、γ和a1均為封閉常數[22].

渦黏性系數由下式確定:

(6)

式中:Ω為旋度幅度.

空間離散采用二階迎風格式,壓力速度耦合采用壓力耦合方程組的半隱式算法(SIMPLE),通過編寫用戶自定義函數(UDF)設置網格區域運動,流場網格靜止,翼型相對流場前飛,翼型表面滿足無滑移物面,流場入口和出口均為壓力遠場.

不同于網格重構[19]的方法,每次改變幾何都會重新生成一次網格,計算效率較低.本文使用的重疊網格可以在翼型近壁面處充分加密邊界層,而遠場的網格量并不發生較大改變,移動前景網格或者背景網格都不引起全局網格的變化,通過軟件內置算法對前景網格和背景網格交界面處修改節點,在提高計算效率的同時實現翼型表面氣動特性的精確模擬.

數值模擬使用的翼型為NACA4412,弦長c=1 m,翼型運動速度v0=40 m/s,雷諾數Re=2.8×106,數值模擬翼型在階躍型地面運動的示意圖如圖1(a)所示,邊界條件設定方法與計算區域網格如圖1(b)和圖1(c)所示,對翼型周圍網格進行加密.

圖1 幾何和網格示意圖Fig.1 Geometry and grid schematics

為證明重疊網格的可靠性,在相同條件下,使用重疊網格在Fluent軟件中進行數值模擬,并與實驗數據[23]對比,定常計算結果如圖2所示,其中C1為升力系數.數值模擬和風洞實驗結果吻合較好,證明重疊網格的計算結果可信.

圖2 重疊網格驗證Fig.2 Verification of overlapping grids

研究非定常流動的階躍地面效應時,翼型到達臺階端面之前,應保證流場中各個變量得到充分發展.在沒有臺階面的大范圍遠場下,測試翼型從右向左移動,測得相同條件下需移動15 m才能實現流場收斂,此處設置翼型前緣距斷面處的距離為25 m.計算過程所設置的參數:v0=40 m/s,ρ=1.225 kg/m3,p=101 325 Pa, 溫度T=288.15 K,Re=2.8×106,網格第一層高度為6×10-6m,為了詳細觀察后緣處渦的產生和脫落,采用較小時間步長,大小為速度倒數的1%,即Δt=0.000 25 s.按照上述條件分別對3種不同數量的網格進行無關性驗證,近場網格為貼體生成,按照增長率1.05外推260層,近場網格規模為 100 000 網格單元.對于重疊網格,背景網格嚴重影響翼型尾跡的模擬精度,因此對3種不同背景網格進行測試,網格規模分別為 95 000、270 000 和 490 000 網格單元,分別命名為粗網格(Coarse),中等網格(Medium)和密網格(Fine).不同背景網格計算所得的升力與阻力系數(Cd)如圖3所示.結果表明3種背景網格對結果影響不大,后文統一采用Medium網格進行分析研究.

圖3 網格無關性驗證Fig.3 Grid-independence verification

2 結果分析

2.1 高度對氣動特性影響

以攻角α=10° 為例,研究NACA4412分別在不同離地高度h/c=0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 1.0下的流動情況,如圖4所示.圖4(a)結果顯示整個升力系數曲線均呈現先減小后增大的變化趨勢,在無地面效應時,α=10°對應的升力系數Cl=1.42,而在距地高度h/c=0.3時的Cl=1.4,h/c=0.2時的Cl=1.51,說明該計算狀態下NACA4412翼型地面效應的增升作用在0.2c以下較為明顯.未脫離地面對應時刻為t=0.6 s(區域I),隨著離地高度增加,升力系數依次減小,在遠離地面之后(區域 II),均恢復至無地面下的升力系數值1.42.在區域I內,h/c在0.2和0.3的阻力系數呈一定曲線變化,地效作用明顯,翼型后緣渦的附著和脫落使升力系數發生變化,而升致阻力與升力系數的平方成正比,因此阻力系數表現為小范圍波動,如圖4(c)所示.整個過程阻力系數曲線均表現為先增大后減小,最終在遠離地面對應時間1 s處,阻力系數均趨于無地面下的阻力系數值0.018.攻角一定時,離地間隙增大,階躍型地面效應影響會減弱,具體表現為升力和阻力系數變化量減小,且在0.6 s飛越臺階面時,數值振蕩的現象也減弱.

圖4 α=10°不同高度下的升阻力系數對比Fig.4 Comparison of lift and drag coefficients at different heights and a 10° angle of attack

脫離臺階面時,升力和阻力系數均出現振蕩的情況,這是由于流場的非定常效應,在翼型后緣處渦不斷地附著與脫落,且受臺階影響較大,下表面的壓力分布出現較大改變,如當α=10°、t=0.6 s、h/c=0.2時,下翼面長度在0.8c～c區間內,臺階面處產生的渦導致下表面壓力系數變號.

圖5 不同時刻和高度的駐點位置Fig.5 Stagnation positions at different moments and altitudes

圖6為不同高度下的壓力(Cp)分布曲線.結果顯示,隨高度增加,雖然吸力峰峰值變化不大,但上下表面壓差減小.表1所示曲線所圍面積也依次減小,升力降低,與分析結論一致.

表1 壓力曲線所圍面積Tab.1 Area enclosed by pressure curve

圖6 不同高度的壓力分布曲線Fig.6 Pressure coefficient distribution curves at different heights

在研究階躍地效下的非定常運動時,以高度h/c=0.2為例進行具體分析.在h/c=0.2,α=10°條件下,非定常過程中流場和渦量的變化如圖7和圖8所示.結果表明,α=10°時,翼型后緣并未發生顯著流動分離,翼型在從右向左運動經過臺階面時,因為邊界層的不穩定性,剪切層失穩,邊界層的形態發生變化,當量翼型隨之改變,經過臺階面時,駐點迅速向前緣點靠近,如表2所示,有效攻角減小,升力系數減小.臺階面的存在使得在翼型弦長方向上存在截面不同的兩段流管區域,氣流在流過翼型下表面時,流管面積縮小,面積的變化引起速度增加,翼型上下表面壓力差值減小,最終反映為升力降低.圖8的渦量云圖也表明翼型下方存在阻滯作用,臺階面存在使翼型下方的動態氣墊作用減弱,被壓縮的氣流得到釋放,增升作用降低,但翼型上表面和后緣處渦量并沒有大的改變.翼型在飛越臺階面時,臺階處產生一個隨時間變化的渦,翼型下表面的壓力分布隨時間而變化,導致翼型從t=0.6 s開始,升力和阻力系數曲線都出現小幅度的振蕩.

表2 h/c=0.2駐點位置和升力系數變化Tab.2 Variation in stationary position and lift coefficient at h/c=0.2

圖7 不同時刻下h/c=0.2,α=10°的流場變化Fig.7 Flow field at different moments at h/c=0.2 and a 10° angle of attack

不同時刻的壓力分布曲線如圖9所示,結合表2結果得出,在t=0.63 s和t=1.00 s時,兩個時刻下的駐點均在距前緣點1.66%處,有效攻角相同,但t=1.00 s時,上表面具有更大的負壓,兩個時刻下表面的壓力分布相差不大,因此t=1.00 s產生了較大的升力系數.t=0.63, 0.64, 0.65 s對應曲線的面積系數分別為 1.049 2、0.904 2、0.937 1,t=

圖9 不同時刻的壓力系數曲線Fig.9 Pressure coefficient curves at different moments

0.65 s時翼型即將遠離臺階面,x/c在0.8～1的范圍之內,翼型周圍流場發生下洗,下表面壓力由正值變為負值,在翼型前緣處向上的合力增大,會產生較大的抬頭力矩,不利于飛機的縱向靜穩定性,在飛越臺階面的整個過程中,上表面的吸力峰在臺階面附近均有損失,導致升力降低.

2.2 攻角對氣動特性影響

為了更好地說明在階躍地效下該翼型的非定常特性,分別取升力線的線性段一個小攻角5°和失速點附近發生流動分離的大攻角15°進行研究,離地間隙h/c=0.3.圖10對應了不同攻角下升力和阻力系數的變化規律,在離地間隙h/c一定時,攻角越大,在0.6 s飛越臺階面,受到階躍地面的影響也更大,升力系數變化量也會增加.因此在無法改變離地間隙時,經過階躍地面應采用小攻角飛行,以減弱升力系數變化,以防發生失速.阻力系數的變化與升力系數變化類似,區別是臺階面的存在使得升力系數減小,阻力系數增大.

圖10 不同攻角下力系數變化曲線Fig.10 Force coefficients at different angles of attack

當攻角改變時,相同離地高度翼型的壓力變化更加明顯,取非定常運動中t=0.63 s時刻研究攻角變化影響.圖11和圖12是不同參數下t=0.63 s的流場和渦量云圖.圖11表明不同條件下的壓力云圖均會在臺階拐點處出現一個3/4圓形的低壓區域,圖12較為明顯地展示了該點渦量變化情況,相同高度大攻角會產生更大的渦量區域.

圖11 不同條件下t=0.63 s的流場分布Fig.11 Distribution of flow field in different conditions at t=0.63 s

圖12 不同攻角下t=0.63 s的渦量云圖Fig.12 Vorticity for different angles of attack at t=0.63 s

離地間隙的改變會影響大攻角翼型后緣處的分離情況,在水平和階躍地面會產生相同的影響.圖13展示了15°攻角下不同離地間隙階躍地面對翼型后緣分離的影響,分別對應h/c=0.3,0.5,1.0, 相同攻角下高度的增加,會減小后緣的分離渦,在經過臺階面時,大攻角飛行應保持較大的離地間隙,以防飛機提前發生失速.

圖13 t=0.63 s,α=15°不同高度翼型后緣處的分離Fig.13 Separation at trailing edge of airfoils of different heights at an angle of attack of 15° and t=0.63 s

為研究階躍地效對翼型有效攻角的影響,構造以下表達式:

Δx=xT-xUFF

(7)

式中:xT為不同時刻駐點的位置;xUFF為無邊界流場駐點的位置;用二者的差值說明地面效應變化對駐點位置的影響.

圖14(a)為t=0.50 s在階躍地面駐點位置的變化,相同離地間隙攻角增大,駐點位置變化量增大,向翼型后緣移動,有效攻角增大,地面效應的增升作用明顯.圖14(b)表明15°攻角在離地間隙h/c為0.3時,駐點位置比無地面效應更靠近后緣,但高度的降低也加劇了后緣處的流動分離,渦的脫落也帶走一部分升力,導致翼型在近地面飛行時,升力系數反而降低.在離地間隙h/c分別為0.5、1.0時,地面的增升作用減弱,同時臺階面的存在使翼型下方壓力得到釋放,攻角越大,駐點的位置越靠近前緣,有效攻角減小,升力系數減小更快,結果與圖10不同攻角下升力系數變化曲線相符.

圖14 不同時刻攻角和高度對駐點位置的影響曲線Fig.14 Effect of angle of attack and height on stationary position at different moments

3 結論

以NACA4412翼型為例,在階躍型地面效應影響下進行不同參數的非定常計算,通過數值仿真分析,研究不同參數下流場的變化和翼型駐點的位置,得出以下結論:

(1) 在以一定的離地間隙和攻角飛越階躍臺階面時,翼型后緣處存在渦的不斷脫落和附著,而且臺階拐點處會產生一個隨時間變化的渦,由于流場的非定常效應,翼型下表面壓力分布時刻發生變化,升力和阻力系數變化均會出現小幅度振蕩.在離開臺階面時,翼型后緣處下表面壓力會發生方向變化,產生較大的抬頭力矩,影響飛行的縱向穩定性.

(2) 離地間隙相同時,大攻角受到突變地面效應的影響較大,駐點位置向前緣移動,有效攻角減小,升力系數衰減更多,在離地間隙一定時應采用小攻角飛行,以減弱升力系數的變化,以防提前發生失速.

(3) 攻角相同時,離地間隙減小,駐點位置向后緣移動,有效攻角增大,在飛越臺階面處,升力和阻力系數的振蕩加劇,而且會增大翼型后緣的分離渦,較大攻角如15°的升力系數會下降,大攻角飛行應保持較大的離地間隙,延緩翼型上表面的流動分離.