涡桨飞机襟翼载荷计算研究

摘    要：襟翼是机翼上用来改善气流和增加升力的可操纵装置，是飞机需要校核的重要部件之一。本文对某涡轮螺旋桨飞机的襟翼载荷进行计算，以风洞数据为基础，采用等效盘模型考虑螺旋桨滑流影响工程算法计算襟翼载荷，与以计算流体力学（CFD）考虑滑流喷流影响计算为基础所计算襟翼载荷进行比较。通过对比分析，得出采用工程算法可以有效且快速的反映襟翼载荷情况，在基本满足工程应用需求的前提下更加高效便捷。

关键词：涡轮螺旋桨;襟翼;滑流效应;载荷计算;

引言

襟翼是机翼上用来改善气流状态和增加升力的装置。在飞机起飞、着陆、爬升或低速机动飞行阶段，偏转襟翼增加机翼剖面弯曲度及有效迎角[1]，增加机翼最大升力系数，实现增大升力的作用。涡轮螺旋桨发动机（简称涡桨发动机）以其功率大、运转稳定性好、寿命长、费用低[1]的优势被广泛应用于现代军民用飞机中。

然而螺旋桨桨叶旋转时会引起气流扰动，对飞机位于螺旋桨之后并处于滑流之中的部件产生滑流效应[2]，国内外学者对滑流影响开展了大量研究工作，左岁寒[3]、张小莉[4]等人采用准定常N-S方法对螺旋桨产生的滑流影响进行了分析。

本文以某4发螺旋桨飞机为例，通过工程算法对涡桨飞机考虑滑流影响的后缘襟翼载荷进行计算，将考虑滑流喷流影响的CFD仿真计算结果与工程算法计算结果进行对比，得出：采用工程算法可较好反映涡桨飞机襟翼载荷情况，满足工程使用要求。

1 滑流效应工程算法

为了实现高效工程评估的目的，简化螺旋桨对气流扰动的影响效果，采用等效盘模型的无厚度圆盘代替真实螺旋桨[5]，获得近似真实螺旋桨的滑流效果，能够快速评估襟翼等部件滑流影响效果及规律。

螺旋桨通过增加流经螺旋桨桨盘区域流管的动量产生推力，可以比拟为翼面产生升力[2]。基于动量定理，采用一个等效盘代表螺旋桨建立螺旋桨滑流简化模型。模型考虑滑流收缩，不计滑流旋转，假定在滑流各截面轴向速度相等。

被滑流覆盖的襟翼部分产生更高的动压，从而比邻近襟翼部分产生更大的升力。如图1所示。

图1 滑流覆盖的襟翼部分动压增加 

桨盘前方远处动压：

桨盘后方被滑流覆盖的襟翼部分动压：

动量定理描述如下：

式（3）中：T为螺旋桨拉力，N;则式（3）可转换为：

桨盘平面处相对远前方来流的速度增量系数为：

被滑流覆盖的襟翼部分相对远前方来流速压比为：

滑流收缩截面面积与螺旋桨桨盘面积比为：

收缩截面直径与桨盘直径比为：

本文以4发涡轮螺旋桨飞机为例，滑流对襟翼载荷的影响可假定为使其收缩截面覆盖的襟翼部分的速压从原始的Q增至Q'，则单侧（两发）襟翼载荷的滑流修正系数可得：

代入式（6），式（10）可转化为：

将式(11)得到的滑流修正系数KS乘以襟翼无动力情况下载荷即可得到考虑滑流影响的襟翼载荷，将滑流覆盖襟翼部分（收缩截面直径D'）内的襟翼压力分布乘以速压变化比即可得到考虑滑流的襟翼压力分布。

2 计算输入

2.1 计算对象

图2 飞机外形示意 

本文研究飞机构型为4发涡桨飞机，两侧各两个涡桨发动机，图2为襟翼偏转后飞机外形示意。

X轴沿飞机水平基准线，逆航向为正；Y轴垂直于机身对称面，逆航向向左为正；Z轴在飞机对称面内垂直于横轴指向上方。

襟翼形式为定轴固定子翼双缝襟翼，在展向某截面处分为内、外襟翼，共4片襟翼，图3为襟翼形式切面示意。

图3 襟翼形式示意 

2.2 计算工况

通过工程算法计算考虑滑流襟翼载荷，比较筛选出的襟翼载荷严重工况如表1所示。

表1 严重工况

采用CFD对严重工况进行考虑滑流、喷流计算，用以对比工程算法结果。CFD验证计算使用的网格如图4所示。

图4 襟翼局部网格 

3 计算结果及比较分析

工程算法计算襟翼载荷以风洞试验的压力分布数据为基础，计算无动力情况的气动力分布，对于襟翼而言，气动分布载荷主要是指：

(1）总压力中心(压心)位置。

(2）展向力分布。

图5 主内襟翼气动力比较 

图6 主外襟翼气动力比较 

图7 子内襟翼气动力比较 

图8 子外襟翼气动力比较 

(3）剖面压力中心。

(4）剖面弦向载荷分布。

根据风洞得到的飞机表面压力分布（Cp）数据库，通过积分，计算襟翼的气动分布载荷，再按前文工程计算方法计算考虑滑流的滑流修正系数。另外，工程算法计算时认为左右襟翼载荷对称。

采用数值模拟方法对全机考虑滑流及喷流进行仿真计算，提取两侧襟翼CFD计算气动压力分布数据，通过积分计算载荷情况。

3.1 展向力分布对比

将工程算法结果与基于CFD方法考虑滑流、喷流影响仿真后计算所得的展向载荷分布结果进行对比，如图5-图8所示。

从图气动力分布可以看出，在螺旋桨后方，受到滑流影响的襟翼站位区域，气动力相对较大，在边缘区域的气动力较小。

3.2 工程算法与仿真对比

将滑流工程算法与CFD计算进行对比。如图9所示为工程算法与仿真计算气动力对比，分别为计算状态序号1和2的工程算法与CFD计算右、左襟翼的主内、主外、子内、子外襟翼及合力结果。

图9 工程算法与CFD气动力对比 

如表2所示，为对应图9的CFD与工程算法气动力的比值。

表2 CFD与工程算法比值

从表2可以看出，工程算法计算的气动力合力均大于采用CFD计算，说明工程算法所算气动力可覆盖CFD结果。

如图10所示为工程算法与仿真计算铰链力矩对比，分别为计算状态序号1和2的工程算法与CFD计算右、左襟翼的主内、主外、子内、子外襟翼及合力矩结果。

图1 0 工程算法与CFD力矩对比 

如表3所示，为对应图10的CFD与工程算法铰链力矩的比值。

表3 CFD与工程算法比值
从表3可以看出，工程算法计算的铰链力矩小于CFD计算结果，但考虑到CFD中补充了喷流的影响，工程算法已经较好的反映出襟翼载荷情况，基本满足工程需求。

4 结论

本文使用风洞试验压力数据通过考虑螺旋桨滑流影响的工程算法计算襟翼载荷，筛选出严重工况。基于严重工况采用CFD方法考虑滑流、喷流影响因素仿真，得到的飞机襟翼表面压力分布（Cp），通过积分，计算得到两侧襟翼的气动载荷。将仿真结果与考虑滑流工程算法的襟翼载荷严重情况进行对比，合力最大偏差为仿真结果较工程算法小4.8%，合力矩最大偏差为仿真结果较工程算法大5.4%。

采用工程算法更加便捷高效，可基本满足工程需求，较好的反映襟翼载荷情况，但在后续设计计算中，仍需通过CFD仿真计算、试验对飞机进行校验。

参考文献

[1] 刘晓晨,胡赞远.民用飞机增升装置载荷设计技术研究[J].民用飞机设计与研究,2020(3):7-11.

[2] 艾德·奥波特,著.运输类飞机的空气动力设计[M].顾松芬,等,译.上海：上海交通大学出版社，2010.

[3] 左岁寒,杨永.螺旋桨滑流对带后缘襟翼机翼气动特性影响的数值分析[J].航空计算技术,2007(1):54-57.

[4] 张小莉,张一帆.螺旋桨滑流对增升装置气动特性影响研究[J].航空计算技术,2011,41(4):1-3,7.

[5] 杨小川,李伟,王运涛,等.一种分布式螺旋桨运输机方案及其滑流效应研究[J].西北工业大学学报,2019,37(2):361-368.

文章来源科学技术创新. 2023(24)