大型飞机扁平后体导流片减阻增稳研究

武 宁， 段卓毅， 廖振荣， 邓一菊

（西安飞机设计研究所，陕西 西安710089）

0 引 言

本文以采用扁平上翘后体的飞机为对象，通过数值计算的手段给出导流片方案，并对导流片的减阻增稳作用进行研究，研究导流片对后体流动及横航向稳定性的影响。数值计算软件采用ANSYS公司的CFX通用CFD软件，湍流模型为SST。CFX软件采用基于有限元的有限体积法以及全隐式耦合多重网格求解技术，其突出特点是对大型复杂问题的求解速度、稳定性、收敛性等技术指标都达到了业界的新高度［1］。在第二届AIAA阻力预测研讨会上，CFX软件的计算结果一致性非常出色，和实验值吻合很好。

文中所采用的后体如图1所示。

图1 载体飞机后体后视图Fig.1 The backsight of after－body

1 导流片的应用及作用机理

采用扁平后体的运输机在巡航飞行时，经过扁平上翘后体的绕流会出现横向流动，不仅造成物面上横向逆压梯度增大，而且还使上翘的边界层容易出现分离形成旋涡流动，从而造成飞机巡航阻力的增加［2］，使得军用运输机的性能下降；而且扁平后体在偏航时由于分离的不对称还使得航向稳定性变差。但是采用扁平后体的运输机可在舱门开口长度最小的情况下保证货物所要求的开口尺寸［3］；而且机身结构重量轻；舱门机构相对简单，可靠性较高。这些优点都能够更好的满足现代运输的要求，使运输机具有更好的使用性。因此，尽管扁平后体增大了机身的阻力且使航向稳定性降低，但扁平后体仍成为当代许多军用运输机的选择。

机身后体导流片的工作机理是将上翘后体下游产生的强分离涡进行抑制，形成强度较小的分离涡，并对后体由下往上的绕流进行阻挡和引导，使后体尾部的低压区削弱以减小压差阻力；在偏航状态下，导流片改善了垂尾和后体的压力分布形态，增大了垂尾和后体产生的稳定偏航力矩，增强了飞机的航向稳定性。导流片使得扁平后体带来的装载效率与气动特性得以兼顾。

2 导流片主要参数论证

目前工程应用中导流片的设计形式基本为平板式导流片。平板式导流片在后体上呈开口向前的八字形，其外形呈梯形结构。描述平板式导流片的外形参数较多，但经分析发现，除了导流片前缘位置及其长度参数外，其它参数对导流片的减阻增稳效果影响较小。同时，鉴于导流片是主要作用在巡航飞行阶段的特殊气动力部件，本文在主要描述导流片前缘位置及其长度参数选择的前提下，采用在巡航状态下确定参数，在多个状态下检验其综合气动特性的方式。

图2给出了不带导流片时机身后体的极限物面流线。从图中可以看到，受机翼下洗及起落架鼓包的影响，机身后体产生两条开式分离流线。其中后机身两侧由机翼的下洗流上绕形成的主分离流动是后体涡产生的主要能量来源。而从起落架鼓包发出的次分离流动受后体两侧下洗流的影响，横向流动较弱，在机身尾部时流线重新汇聚形成向上绕流。

根据扁平后体分离流线的特征，按照导流片前缘与主分离线的位置关系，导流片对后体分离涡的控制方式可以分为：起涡前控制、起涡时控制及起涡后控制。其对应的导流片前缘位置分别为：在主分离线之前、与主分离线相交及在主分离线之后；同时，导流片的长度决定了导流片对次分离流线的控制及导流片阻挡和引导下表面上绕气流的能力，但长度过长会使得自身阻力增大，加大对巡航点外阻力特性的不利影响。

图2 不带导流片时后体物面流态Fig.2 Flow pattern on surface of nochine

图3给出三种不同导流片对涡的控制方式。依次导流片前缘分别位于主分离流线之后、恰好与主分离流线交汇及在主分离线之前。受后体外形影响，图（a）中导流片长度比图（b）和图（c）的导流片短，但其后缘距机身尾端的距离与图（b）导流片后缘距机身尾端距离基本相同。下面将通过三组导流片来说明导流片对涡的控制方式对减阻效果的影响。

通过分析对比，不同导流片对涡的控制方式所产生的减阻效果差异较为明显。起涡时控制具有最佳的减阻效果，起涡后控制的减阻效果最不理想。分析认为，起涡时控制的导流片对两条分离流线均起到较好的阻挡作用。起涡后控制的导流片虽然对次分离线产生有效的阻挡和引导，但其前缘并没有能够对主分离流线进行有效的阻挡，分离涡在导流片前缘前已形成并向上卷起。起涡前控制的导流片能够对主分离流线起到有效的阻挡，削弱后体分离涡，但导流片剩余长度对上绕气流的阻挡作用相对较弱。被导流片所引导的下表面气流在流过导流片后重新形成上绕的分离流，后体尾端的压力未能得到更好的增加。

由此可见，导流片整体位置并不需要太过靠前，采用起涡时控制导流片就能对分离流线起到有效阻挡，并且导流片长度的选取要兼顾对次分离流的抑制。同时，采用起涡时控制的方式可在相同长度的情况下对上绕气流具有更好阻挡和引导作用，这对其他使用迎角下的阻力特性是有好处的。

3 导流片对气动特性的影响

3.1 导流片对纵向气动特性影响

图4给出了巡航马赫数下不同迎角的纵向力曲线。从图中可以看到，导流片不但具有减阻效能，对升力也有增益。升力的增益来源于后体下表面压力的升高。后体表面压力的增大同时使得低头力矩增大，阻力减小。在巡航升力系数附近，导流片可减阻9Counts左右，量值可观。小迎角下导流片减阻效果更为显著，但随迎角的增大，导流片的有效迎风面积增加，升力和阻力都有了大幅的增加。因此在迎角4°后导流片不再具有减阻的效果。但是，尽管不再具有减阻作用，带导流片仍然具有更高的升阻比。

在图5不同马赫数下阻力曲线中还可以看到，导流片对全机有效减阻迎角范围随着马赫数的增大而减小。

图4 巡航马赫数下升阻曲线Fig.4 The lift and drug curves under cruise Mach

图6给出了图3（b）中红线所示的截面周向Cp分布。其中θ定义的是从机身背部对称点为起点，从后往前看顺时针方向旋转的周向。

从图中可以看到，从背部对称点开始，后体的绕流处于大范围的逆压梯度区，这是由于后体的扁平截面外形造成的。受横向逆压梯度的作用，绕流在θ为110°（或250°）附近出现分离，分离的发展使得在θ为130°（或230°）附近形成旋涡流动，出现压力低谷。

图6（a）中，在巡航马赫数下，导流片使得后体下表面压力显著增大，而上表面压力降低。导流片这样的作用效果正是导流片起增升减阻作用的真正原因。同时，随着迎角的增大，导流片使得下表面压力恢复的量值逐渐减小，进而导流片的减阻量降低。而在图6（b）中，在迎角1.8°不同马赫数下，导流片使下表面压力增大的量值相当，但背部压力的减小量随马赫数的增大而增大。这样的压力分布特性表明导流片在能够减阻的相同迎角下，马赫数越高减阻量就会越大。

3.2 导流片横向气动特性影响

图7给出了几个不同马赫数下的偏航力矩曲线，其中除巡航点外，其余马赫数仅给出3°侧滑角的偏航力矩。从图中看到，导流片可明显增强航向稳定性。在侧滑角β为3°时，随着马赫数的增大，导流片所带来的偏航力矩增量略有减小；巡航状态下，导流片使航向力矩增大约0.00158，侧滑角0°～3°范围航向静稳定导数增加约0.000529。相对于无导流片，航向静稳定性导数增加约33%，量值非常可观。

图7 迎角1.8°各马赫数下偏航力矩Fig.7 Yawning－moment of different Mach numbers at 1.8°attack angle

图8给出了巡航状态在侧滑角3°时垂尾不同截面的压力分布。可以看到导流片的存在使垂尾两侧的压力降低，但背风侧的压力减小量更大。并且从图9后体截面压力分布也可看到，越靠后体尾端，导流片使左侧（迎风侧）压力的增量越大。这样，后体就将产生更大的侧向力，这个侧向力很大程度上提高了航向静稳定性。

图8 巡航状态β＝3°尾翼剖面Cp分布Fig.8 Cpcircumferential distribution of tail at cruiseβ＝3°

图9 巡航状态β＝3°后体剖面Cp分布Fig.9 Cpcircumferential distribution of body at cruiseβ＝3°

4 结 论

扁平后体给使用和维护都带来了便利，但扁平后体却存在阻力大和航向稳定性低不足的缺点。后体导流片的应用使得扁平后体良好的使用性和气动特性得以兼顾。本文应用数值计算的手段给出导流片设计方案，对导流片的减阻增稳作用进行了分析研究，得到以下结论：

（1）扁平上翘后体具有较强的横向流动，使得横向逆压梯度增大，从而导致了在后体出现三维分离流动，最终在后体两侧空间形成一对方向相反的分离涡。这对分离涡使得后体下表面的压力降低，增大了机身压差阻力；在偏航时，后体这对分离涡使垂尾压力分布变差，造成扁平后体航向稳定性降低。

（2）导流片对后体下表面的上绕气流产生阻挡，削弱了后体涡的强度，使扁平后体下表面压力有了很大程度的提高；后体压力的增大有效降低了后机身的压差阻力，文中导流片在巡航点减阻可达到9Counts。

（3）导流片可有效提高扁平后体的航向静稳定性。文中扁平后体在3°偏航时航向稳定性增加了约33%，量值非常可观。

［1］ANSYS CFX对飞机气动阻力的精确模拟［R］.ANSYS媒体文章，转载自《中国航空报》专题报道，2004，9.

［2］气动设计／《飞机设计手册》总编委会.飞机设计设计手册第6册［M］.北京：航空工业出版社，2002.

［3］孔繁美，华俊，冯亚南，等.大上翘角机身后体流动机理研究［J］.空气动力学学报，2002，20（3）：326－331.（KONG F M，HUA J，FENG Y N，et al.Investigation of the flow mechanism on the afterbody with larger upswept angle［J］.ACTAAerodynamicaSinica，2002，20（3）：326－331.）