起落架舱对运输类飞机机身阻力特性的影响研究.pdf

第4 0 卷第4 期 2 0 1 0 年7 月 航空计算技术 A e r o n a u t i c a lC o m p u t i n gT e c h n i q u e V 0 1 4 0N 0 4 J u l 2 0 l O 起落架舱对运输类飞机机身阻力特性的影响研究 郑隆乾，杨永 ( 西北工业大学航空学院，陕西西安7 1 0 0 7 2 ) 摘要：通过对后体上翘的运输类飞机机身( 机身+ 起落架舱) 的C F D 数值模拟，研究了起落架舱 对机身最小阻力攻角的影响。结果表明：对于后体上翘较大的运输类飞机，相对于净机身，加上起 落架舱后，机身阻力增加，但最小阻力攻角明显减小。 关键词：上翘后体；起落架舱；小阻力；攻角；C F D ；数值模拟 中图分类号：V 2 1 1 3文献标识码：A 文章编号：1 6 7 1 6 5 4 X ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 5 6 0 3 引言 飞机设计中，在机翼的设计完成后，需确定合适的 机翼安装角，这就要求考虑到机身构型的阻力特性，以 达到飞行时的最佳升阻比。因此，了解机身构型的阻 力特性，找到构型的最小阻力攻角，能在确定机翼安装 角时提供参考，使飞行性能达到最优。而起落架舱作 为机身上较大的部件，会对机身构型的阻力特性产生 较大的影响，所以，确定机翼安装角前，应了解机身+ 起落架舱构型的阻力特性。 运输类飞机为了在后舱门开口长度最小的情况下 保证货物要求的开口尺寸，往往使机身尾部急剧地向 上倾斜，使得后体上翘角增大，但这样做的坏处是较大 地增加了机身阻力。从文献 1 中可知，上翘后体引起 了横向流动，使横向逆压梯度增大、底部边界层增厚，导 致后体出现分离流动。本文针对某运输机机身机身+ 起落架舱构型进行了C F D 数值模拟，探讨了起落架舱 对具有上翘后体的机身的阻力特性的影响。 1 研究构型 图1 机身构型 构型为某运输机机身部分，由前体和后体两部分 组成。后体长。约占机身长度的4 0 ，机身后体上翘 角口为1 7 。，后体背部略平。如图1 所示。 为方便计，本文中用A 构型表示净机身构型，用B 构型表示机身+ 起落架舱构型。 2 数值计算方法 机身后体具有较大的上翘角，易发生分离，流动复 杂。为了更好地模拟流动，本文采用求解N S 方程 作为数值计算手段。 2 1 控制方程 采用的主控方程为三维积分形式的雷诺平均N S 方程( R A N S ) ： 去皿，Q d V + 妙刊s = o ( 1 ) 其中，y 为控制体体积，Q 为守恒变量矢量，s 为控制体 表面，为通过表面的净通量矢量，包含粘性项和无粘 项，刀为表面S 的单位外法向矢量。 以有限体积方法构造空间离散格式，无粘通量项 的离散，采用迎风型通量差分分裂格式( F l u x D i f f e r - e n c eS p l i t t i n g ) ，该格式本身带有耗散性，无需加入人工 耗散项，F D S 格式有较高的间断分辨率和数值模拟精 度，而对于粘性项，采用二阶中心格式进行离散。时间 推进上采用的是隐式近似因子化法( A p p r o x i m a t eF a c t o r i z a t i o nM e t h o d ) ，在每一个空间方向上独立进行隐式 求解运算。利用当地时间步长，多层网格逐层迭代及 多重网格( M u h i g r i d ) 法加速收敛。采用S A 湍流模型。 收稿日期：2 0 1 0 0 1 1 8 作者简介：郑隆乾( 1 9 8 4 一) ，男，湖北宜昌人，硕士研究生。研究方向为理论与计算流体力学。 万方数据 2 0 1 0 年7 月郑隆乾等：起落架舱对运输类飞机机身阻力特性的影响研究 5 7 2 2 边界条件 物面采用无滑移条件，远场采用自由流条件，机身 对称面采用对称边界条件。 2 3 计算网格 使用网格生成软件I C E M C F D 生成C O 型三 维空间流场网格。物面流向3 2 9 点，周向1 2 9 点，法向 8 9 点，附面层起始距离4 1 0 n l 。物面距远场1 5 倍 机身长度。如图2 所示： 图2 计算网格 2 4 计算状态 讹= 0 5 5 ，单位长度雷诺数R e ：= 5 2 1 0 6 ，计算 攻角a 范围为一3 。1 2 。 3 结果及分析 3 1 阻力特性曲线 图3 阻力特性曲线 图3 为两构型的阻力特性曲线，其中C D ，C 踟和 C 肼分别为阻力系数、压差阻力系数和摩擦阻力系数。 从曲线可以看出： 1 ) 在计算的攻角范围内，与A 构型相比，B 构型 的C D ，C 却和C w 均有增加； 2 ) 同一构型浸湿面积不变，摩擦阻力基本不随攻 角变化； 3 ) 阻力的增加以压差阻力的增加为主导； 4 ) 最小压差阻力攻角与最小阻力攻角相同； 5 ) 构型的最小阻力攻角，A 构型为8 0 ，B 构型为 5 。，亦即加上起落架舱后的最小阻力攻角减小3 0 。 3 2 总压分布 图4 是两构型后体从0 5 4 L 到0 9 7 L 站位相同解 析度下的总压云图及等值线： 图4 相同解析度下的总压云图及等值线 从已有结论及图4 中可以看出： 1 ) 影响A 构型总压损失的因素主要是摩擦、后体 上部或下部的分离；对于B 构型，除了上述因素外，起 落架舱引起的分离也带来了总压的损失。 2 ) 后体上翘会引起横向流动，产生分离。随着攻 角的增大，分离涡逐渐由下涡系发展成上涡系，亦即流 动分离逐渐由后体下部分离发展为后体上部分离。 3 ) 起落架舱尾端存在较强的高压区，形成较大的 逆压梯度，造成流动分离；分离在向下游发展的过程中 增强。并且分离涡随攻角的增大逐渐上移。 4 ) 相同攻角下，B 构型因横向流动引起的分离比 A 构型弱，说明起落架舱一定程度上抑制了横向流动。 5 ) 对于A 构型，8 。攻角时分离最弱，阻力最小；而 对于B 构型，综合考虑起落架舱引起的分离，5 。攻角时 分离最弱，阻力最小。 4 结论 由计算及分析结果可以得出如下结论： 1 ) 上翘1 7 。的运输类飞机后体会出现较强的横向 万方数据 5 8 航空计算技术第4 0 卷第4 期 流动，使横向逆压梯度增大、底部附面层增厚，导致后 体出现分离流动，并在向下游发展的过程中逐渐增强。 随攻角的增大，分离涡由下涡系主导逐渐发展为上涡 系主导。 2 ) 机身加上起落架舱后，在一定程度上抑制了横 向流动，使得因横向流动造成的分离得到减弱。 3 ) 在起落架舱尾端出现高压区，产生一个较强的 逆压梯度区域，使得流动发生分离，并在向下游发展过 程中逐渐增强，与横向绕流导致的分离旋涡相互干扰。 4 ) 对于本文中的机身构型，加上起落架舱后，构型 的最小阻力攻角明显减小，由8 。减小到5 0 。 参考文献： 2 3 孔繁美大上翘角机身后体流动机理研究 J 空气动力 学学报，2 0 0 2 ，2 0 ( 3 ) ：3 2 6 3 3 1 孔繁美机身上翘后体绕流与阻力分析 J 空气动力学 学报，2 0 0 3 ，2 0 ( 1 ) ：6 7 7 4 黄涛民机上翘后体绕流流型的实验研究 J 空气动力 学学报，2 0 0 3 ，2 0 ( 1 ) ：2 9 3 7 I n f l u e n c eo fL a n d i n gG e a rC a b i no nD r a go f aT r a n s p o r tA i r c r a f tB o d y Z H E N G L o n g q i a n ，Y A N GY o n g ( S c h o o lo f A e r o n a u t i c s ，N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，X i7 a n7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：Ac o m p u t a t i o n a li n v e s t i g a t i o no ft h ei m p a c to fl a n d i n gg e a rc a b i no nd r a gh a sb e e nc o n d u c t e d N u m e r i c a l s i m u l a t i o n so nf u s e l a g eo ft r a n s p o r ta i r p l a n ew i t h w i t h o u tl a n d i n gg e a rc a b i nw e r et a k e nb ys o l v i n gR A N Se q u a t i o n sw i t h S At u r b u l e n c em o d e l T h ep r i m a r ye m p h a s i si nt h i sp a p e ri so nf u s e l a g ew i t ha f t e r b o d yo f1 7 。u p s w e p ta n g l e T h ec o m p a r i sons h o w st h a td r a gi n c r e a s e s ，b u tt h ea t t a c ka n g l eo fm i n i m a ld r a gi so b v i o u s l yd e c r e a s e do nf u s e l a g ew i t hl a n d i n gg e a r e a b i n K e yw o r d s ：u p s w e p ta f t e r b o d y ；l a n d i n gg e a rc a b i n ；a t t a c ka n g l e ；m i n i m a ld r a g ；C F D ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( 上接第5 5 页) AD e t e c t i o nM e t h o do fA b n o r m a lF l i g h tD a t aB a s e do nN e g a t i v eS e l e c t i o n H A NM i n ，Z H A OQ i n g - z h o u ( 1 S h a a n x iI n s t i t u d eo f V o c a t i o n a la n dT e c h n i c a l ，X i a n7 1 0 1 0 0 ，C h i n a ； 2 A V I CS h a a n x iQ i a n s h a nA v i o n i c sC o ，L T D ，痢7 a n7 1 0 0 6 5 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h em e t h o do fu s i n gn e g a t i v es e l e c t i o na l g o r i t h mt od e t e c ta b n o r m a lf l i g h td a t aw a sr e s e a r c h e d B e c a u s eO r i g i n a ld e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nd a t at e n d e n c yc o u l dh a r d l yd e t e c tc o n t i n u o u sa b n o r m a lv a l u e s t h ed e t e c t o rc o d i n g m e t h o dW a si m p r o v e db yi n s e r t i n gi n f o r