渦槳飛機襟翼載荷計算研究

魏浩格*，溫 慶，王艷艷

（中航通飛華南飛機工業有限公司研發中心，廣東 珠海）

引言

襟翼是機翼上用來改善氣流狀態和增加升力的裝置。在飛機起飛、著陸、爬升或低速機動飛行階段，偏轉襟翼增加機翼剖面彎曲度及有效迎角[1]，增加機翼最大升力系數，實現增大升力的作用。渦輪螺旋槳發動機（簡稱渦槳發動機）以其功率大、運轉穩定性好、壽命長、費用低[1]的優勢被廣泛應用于現代軍民用飛機中。

然而螺旋槳槳葉旋轉時會引起氣流擾動，對飛機位于螺旋槳之后并處于滑流之中的部件產生滑流效應[2]，國內外學者對滑流影響開展了大量研究工作，左歲寒[3]、張小莉[4]等人采用準定常N-S 方法對螺旋槳產生的滑流影響進行了分析。

本文以某4 發螺旋槳飛機為例，通過工程算法對渦槳飛機考慮滑流影響的后緣襟翼載荷進行計算，將考慮滑流噴流影響的CFD 仿真計算結果與工程算法計算結果進行對比，得出：采用工程算法可較好反映渦槳飛機襟翼載荷情況，滿足工程使用要求。

1 滑流效應工程算法

為了實現高效工程評估的目的，簡化螺旋槳對氣流擾動的影響效果，采用等效盤模型的無厚度圓盤代替真實螺旋槳[5]，獲得近似真實螺旋槳的滑流效果，能夠快速評估襟翼等部件滑流影響效果及規律。

螺旋槳通過增加流經螺旋槳槳盤區域流管的動量產生推力，可以比擬為翼面產生升力[2]。基于動量定理，采用一個等效盤代表螺旋槳建立螺旋槳滑流簡化模型。模型考慮滑流收縮，不計滑流旋轉，假定在滑流各截面軸向速度相等。

被滑流覆蓋的襟翼部分產生更高的動壓，從而比鄰近襟翼部分產生更大的升力。如圖1 所示。

圖1 滑流覆蓋的襟翼部分動壓增加

槳盤前方遠處動壓：

槳盤后方被滑流覆蓋的襟翼部分動壓：

動量定理描述如下：

式（3）中：T 為螺旋槳拉力，N；

則式（3）可轉換為：

槳盤平面處相對遠前方來流的速度增量系數為：

被滑流覆蓋的襟翼部分相對遠前方來流速壓比為：

滑流收縮截面面積與螺旋槳槳盤面積比為：

收縮截面直徑與槳盤直徑比為：

本文以4 發渦輪螺旋槳飛機為例，滑流對襟翼載荷的影響可假定為使其收縮截面覆蓋的襟翼部分的速壓從原始的Q 增至Q'，則單側（兩發）襟翼載荷的滑流修正系數可得：

代入式（6），式（10）可轉化為：

將式(11)得到的滑流修正系數KS乘以襟翼無動力情況下載荷即可得到考慮滑流影響的襟翼載荷，將滑流覆蓋襟翼部分（收縮截面直徑D'）內的襟翼壓力分布乘以速壓變化比即可得到考慮滑流的襟翼壓力分布。

2 計算輸入

2.1 計算對象

本文研究飛機構型為4 發渦槳飛機，兩側各兩個渦槳發動機，圖2 為襟翼偏轉后飛機外形示意。

圖2 飛機外形示意

X 軸沿飛機水平基準線，逆航向為正；Y 軸垂直于機身對稱面，逆航向向左為正；Z 軸在飛機對稱面內垂直于橫軸指向上方。

襟翼形式為定軸固定子翼雙縫襟翼，在展向某截面處分為內、外襟翼，共4 片襟翼，圖3 為襟翼形式切面示意。

圖3 襟翼形式示意

2.2 計算工況

通過工程算法計算考慮滑流襟翼載荷，比較篩選出的襟翼載荷嚴重工況如表1 所示。

表1 嚴重工況

采用CFD 對嚴重工況進行考慮滑流、噴流計算，用以對比工程算法結果。CFD 驗證計算使用的網格如圖4 所示。

圖4 襟翼局部網格

3 計算結果及比較分析

工程算法計算襟翼載荷以風洞試驗的壓力分布數據為基礎，計算無動力情況的氣動力分布，對于襟翼而言，氣動分布載荷主要是指：

（1） 總壓力中心(壓心)位置。

（2） 展向力分布。

（3） 剖面壓力中心。

（4） 剖面弦向載荷分布。

根據風洞得到的飛機表面壓力分布（Cp）數據庫，通過積分，計算襟翼的氣動分布載荷，再按前文工程計算方法計算考慮滑流的滑流修正系數。另外，工程算法計算時認為左右襟翼載荷對稱。

采用數值模擬方法對全機考慮滑流及噴流進行仿真計算，提取兩側襟翼CFD 計算氣動壓力分布數據，通過積分計算載荷情況。

3.1 展向力分布對比

將工程算法結果與基于CFD 方法考慮滑流、噴流影響仿真后計算所得的展向載荷分布結果進行對比，如圖5- 圖8 所示。

圖5 主內襟翼氣動力比較

圖6 主外襟翼氣動力比較

圖7 子內襟翼氣動力比較

圖8 子外襟翼氣動力比較

從圖氣動力分布可以看出，在螺旋槳后方，受到滑流影響的襟翼站位區域，氣動力相對較大，在邊緣區域的氣動力較小。

3.2 工程算法與仿真對比

將滑流工程算法與CFD 計算進行對比。如圖9 所示為工程算法與仿真計算氣動力對比，分別為計算狀態序號1 和2 的工程算法與CFD 計算右、左襟翼的主內、主外、子內、子外襟翼及合力結果。

圖9 工程算法與CFD 氣動力對比

如表2 所示，為對應圖9 的CFD 與工程算法氣動力的比值。

表2 CFD 與工程算法比值

從表2 可以看出，工程算法計算的氣動力合力均大于采用CFD 計算，說明工程算法所算氣動力可覆蓋CFD 結果。

如圖10 所示為工程算法與仿真計算鉸鏈力矩對比，分別為計算狀態序號1 和2 的工程算法與CFD 計算右、左襟翼的主內、主外、子內、子外襟翼及合力矩結果。

圖10 工程算法與CFD 力矩對比

如表3 所示，為對應圖10 的CFD 與工程算法鉸鏈力矩的比值。

表3 CFD 與工程算法比值

從表3 可以看出，工程算法計算的鉸鏈力矩小于CFD 計算結果，但考慮到CFD 中補充了噴流的影響，工程算法已經較好的反映出襟翼載荷情況，基本滿足工程需求。

4 結論

本文使用風洞試驗壓力數據通過考慮螺旋槳滑流影響的工程算法計算襟翼載荷，篩選出嚴重工況。基于嚴重工況采用CFD 方法考慮滑流、噴流影響因素仿真，得到的飛機襟翼表面壓力分布（Cp），通過積分，計算得到兩側襟翼的氣動載荷。將仿真結果與考慮滑流工程算法的襟翼載荷嚴重情況進行對比，合力最大偏差為仿真結果較工程算法小4.8%，合力矩最大偏差為仿真結果較工程算法大5.4%。

采用工程算法更加便捷高效，可基本滿足工程需求，較好的反映襟翼載荷情況，但在后續設計計算中，仍需通過CFD 仿真計算、試驗對飛機進行校驗。