基于N-S方程的飞机风挡雨刷气动力计算

苗新宇朱永峰胡 泱

(中航工业第一飞机设计研究院,陕西西安 710089)

基于N-S方程的飞机风挡雨刷气动力计算

苗新宇*,朱永峰,胡 泱

(中航工业第一飞机设计研究院,陕西西安 710089)

风挡雨刷在飞行过程中易出现被气流吹离复位位置、飘起现象,阻碍飞行员视野,严重影响飞行安全。选取某型机风挡雨刷作为优化对象,采用了结构、非结构混合网格的办法,在机身壁面附近生成结构化网格,在雨刷机构表面生成非结构化网格,用Interface面将两部分结合生成雨刷最终计算模型。利用Fluent软件,基于N-S方程和S-A湍流模型,采用时间平均法对不可压缩流的参数进行时均化,计算了不同飞行状态下,风挡雨刷在复位位置以不同角度停放及增加扰流板时所受气动力,对风挡雨刷的外形及停放角度进行优化,比较分析了优化前后雨刷所受气动力。仿真计算结果表明,雨刷合理的停放角度、在刷臂上加装扰流板能有效引导风挡雨刷迎风面气流的方向,从而减小雨刷迎风面所受气动力。通过试飞验证了数值计算的可靠性及优化方案的可行性,为风挡雨刷预紧力的设置及复位位置的确定提供依据。

风挡雨刷;N-S方程;飞机;气动力;优化设计;扰流板;力矩

0 引 言

风挡雨刷是广泛使用的除雨系统之一,主要作用是在降雨条件下,在飞机滑跑、起飞、进场、着陆阶段,为飞行员提供清晰的视界,保证飞行安全。风挡雨刷利用动力装置操纵雨刷刷片,在风挡玻璃外表面进行周期性往复运动,除去风挡玻璃上的雨水[1],如图1所示。《运输类飞行适航标准》第773条(CCAR-25. 773)规定:飞机必须具有措施使风挡玻璃在降水过程中保持有一个清晰的部分,足以使两名驾驶员在飞机各种正常姿态下沿飞行航迹均有充分宽阔的视界[2]。

传统飞机风挡玻璃外形结构相对简单,大部分为平面玻璃,设计人员仅关注风挡表面刮刷清洁度、刮刷面积是否满足适航标准或国军标要求。随着科技的进步,运输类飞机逐步向长航时、高航速方向发展,为了保证整体气动外形,减小飞行中空气阻力,飞机上开始广泛使用复杂的多曲率风挡玻璃,导致风挡雨刷结构更复杂。由此,风挡雨刷在气动力作用下的功能是否正常得到了普遍关注。

目前,国外Zodiac等公司针对风挡雨刷的研究应用相对成熟,已研制出多款雨刷并投入批量生产,且分别使用数学方法、仿真软件和试飞验证对雨刷进行了气动力分析,但在相关文献及技术资料中仅见介绍风挡雨刷的功能及维修方法,未见对风挡雨刷气动力的相关内容报道[3]。国内风挡雨刷研究工作主要为了解决飞机型号设计和适航需求,与发达国家相比,研究存在一定的差距。对风挡雨刷的研究应用仅停留在产品的引进、消化、再吸收层面,并未深入开展雨刷气动力等关键技术参数的相关研究。试验研究领域由于缺乏雨风洞试验设施,只能进行简单的常规淋雨试验。

为了预防风挡雨刷在飞行过程中由于气动力的影响与风挡玻璃分离、飘起,本文对风挡雨刷的外形及复位位置进行了优化设计,并将优化前后风挡雨刷所受气动力进行了对比分析,为风挡雨刷预紧力设置和复位位置的确定提供依据。

通过求解N-S方程,结合S-A湍流模型,采用Fluent软件完成了风挡雨刷以不同角度停止于复位位置时,在不同飞行状态下的气动力计算,同时根据气动力计算结果,完成风挡雨刷复位位置的优化,并通过试飞对优化方案进行了验证。

1 计算过程

1.1 风挡雨刷模型

选取某型机风挡雨刷作为优化对象,主要采取以下两种方案:1)改变雨刷停放角度;当风挡雨刷置于复位位置时,以风挡玻璃下边框为基准,分别将刷臂旋转2°、4°、6°;2)增加扰流板;风挡雨刷CATIA模型如图2所示。

图2 优化前后风挡雨刷模型图Fig.2 CATIA model of windshield wiper before and after optimized

1.2 网格生成

在风挡雨刷气动力计算中,由于机翼及尾翼等结构对风挡雨刷的流场影响很小,因而在计算过程中,忽略机翼、尾翼等结构,只选择整个机身作为计算区域,并对机身进行简化,减少计算量,提高计算效率。对计算区域采用结构化/非结构化的混合网格,在机身壁面附近生成结构化网格,而在远离固体表面的区域采用非结构化网格,同时在机头特别是风挡表面采用较细密的网格以保证计算精度。在生成网格时,仅保留机头和风挡雨刷系统的主要几何信息,忽略螺栓、保险丝及间隙等细节信息。整体网格见图3,机身模型网格见图4,风挡雨刷网格见图5。

图3 整体网格Fig.3 Overall mesh

在网格划分中,由于机身的外形结构较规则,因此网格生成中将风挡玻璃及雨刷、机身部分分别生成网格,然后采用Interface面将两部分结合成最终计算网格,这样在改变风挡雨刷结构及风挡雨刷位置时仅需要重新生成风挡雨刷部分的网格,这种划分方式减少了由于网格不同而带来的计算误差。网格生成中,机身部分结构规则,采用结构网格;风挡雨刷部分存在多处镂空且结构复杂,采用非结构网格[6-7],并对局部进行加密。

图4 机身模型网格Fig.4 Fuselage model mesh

图5 风挡雨刷网格Fig.5 Windshield wiper mesh

1.3 控制方程

风挡雨刷气动力计算使用Fluent软件、通过求解N-S方程,结合相应的湍流模型,采用时间平均法对不可压缩流的参数进行时均化[8]。N-S方程如下:

连续方程:

动量方程:

由于是可压缩流动,因此需要给定密度和热力学参数的关系。采用理想气体状态方程[9]:

式中,R为通用气体常数。

对于整机气动特性计算,由于网格数量巨大,因此采用S-A模型,湍流粘性系数如下所示:

式中,υ为分子粘性系数,υ-是计算湍流粘性系数的工作变量,S为旋度大小,d为距离物面的距离,且函数:

式中,d为离最近的壁面的距离,各常数分别为:Cb1=0.1355;Cb2=0.622;Cυ1=7.1;σ=2/3;Cw2=0.3;Cw3=2.0;κ=0.41。

S-A模型建立时并没有考虑可压缩修正,但是只要在输运方程中考虑到密度的变化,S-A模型就可以用来计算可压缩流动[12]。

同时S-A模型可以直接积分到壁面,因此在计算中对靠近壁区域的网格进行加密,保证第一节点的y+为0.1～1[13]。

1.4 计算状态点

选取的计算状态点如表1所示[14]。

2 计算结果

将ICEM-CFD生成的计算网格导入Fluent软件,根据给定的计算条件进行相应的边界条件定义,采用二阶精度计算格式,对机身外流场进行计算,就可以获得风挡雨刷的气动力。由Fluent积分计算获得三维坐标方向的气动力矩,将所得坐标方向的力矩在风挡玻璃表面法线方向进行投影[15],可求得风挡雨刷在玻璃表面法向力矩,给出转轴中心至刷臂端点的距离,就可以算出刷臂端点的法向力。文中最终给出的是刷臂端点的法向力。

图6～图7是优化前后风挡雨刷在不同飞行条件下,典型状态风挡雨刷表面压力分布云图。

表1 计算状态点Table 1 Calculation conditions

图6 雨刷以不同角度停放时所受气动力Fig.6 Aerodynamic forces of the windshield wiper at the parking position with different angles

表2～表4列出了雨刷在不同飞行高度、机身攻角及飞行速度所受的气动力数值。其中F1表示优化前风挡雨刷在复位位置的迎风面法向力,F2表示优化雨刷停放角度并增加扰流板后,风挡雨刷迎风面法向力。

图7 增加扰流板后雨刷所受气动力Fig.7 Aerodynamic forces of the windshield wiper at the parking position with different shapes

表2 不同高度下各状态点的气动力Table 2 Aerodynamic forces at different altitudes

表3 不同攻角下各状态点的气动力Table 3 Aerodynamic forces at different attack angles

表4 不同速度下各状态点的气动力Table 4 Aerodynamic forces at different velocities

3 计算结果分析

表2计算结果表明,在一定飞行条件下,随着高度的增加,大气密度及大气压强减小,风挡雨刷所受气动力随之减小。表3表明,当飞行马赫数增大时,绕流气流速度相对增大,故雨刷所受气动力增大。表4表明,当攻角增大时,雨刷相对气流的迎风面积增大,以雨刷输出轴为中心的刷臂组件力矩增大,所以其气动力增大。

通过气动力对比分析,表明在所选的飞行状态下,优化前风挡雨刷在复位位置所受气动力约为17 ～59 N。改变雨刷停止位置角度及增加扰流板后,气动力显著减小,其值为13～54 N,雨刷迎风面所受气动力减少3.1～6.3 N。

计算结果表明,雨刷以合理角度停放于复位位置能有效减小其迎风面所受气动力。此外,在雨刷刷臂加装精心设计的扰流板,能有效引导风挡雨刷迎风面气流的方向,从而减小雨刷迎风面所受气动力。

4 飞行验证

将优化前后的风挡雨刷在某型机上进行试飞验证,验证状态点如表5所示,优化前后的风挡雨刷装机件外形对比情况如图8所示。

表5 验证状态点Table 5 Flight test conditions

图8 优化前后雨刷外形对比Fig.8 Comparison before and after the wiper optimization

验证结果表明:在一定飞行条件下,优化前风挡雨刷由于气动力影响会轻微飘起,或周期性敲击蒙皮表面;对风挡雨刷停放位角度及外形优化后,此现象消失,雨刷各项功能正常。

5 结 论

通过建立风挡雨刷仿真模型,利用Fluent软件,对不同飞行状态下风挡雨刷在复位位置所受气动力进行计算,并对风挡雨刷的停放角度进行优化,比较分析了计算结果,并进行了试飞验证。得出以下结论:

(1)在一定飞行条件下,风挡雨刷所受气动力随着飞行高度的增加而减小,随着飞行马赫数的增加而增大,随着飞机攻角的增大而增大。

(2)风挡雨刷在复位位置以合理角度停放可有效降低气动力,并可通过增加扰流板等措施降低其气动力。

(3)雨刷的设计需与飞机进行气动力匹配计算和优化。

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Computational research on aerodynamic forces of aircraft windshield wiper based on the N-Sequations

Miao Xinyu*,Zhu Yongfeng,Hu Yang
(AVIC The First Aircraft Institute,Xi’an710089,China)

A short paper has been presented to show the phenomenon that the aircraft windshield wiper is blown away from the parking position during the flight.This behaviour has effect on the vision of pilots and copilots,and significantly impacts the flight safety.A windshield wiper was taken as the present study object.Hybrid structured-unstructured grids were adopted for the simulation.Structured grids were used around the fuselage,and unstructured grids were on the wiper framework.An interface was used to combine these two parts,and to generate the final calculation grid.Fluent code was employed to simulate fluid dynamics over windshield wiper.Numerical simulations were carried out based on N-S equations and S-A turbulence model.The incompressible flow parameter was handled by time-averaged method.The aerodynamic forces of the windshield wiper were calculated for several flight states at parking position with different angles and shapes.According to the comparison and analysis, the simulation results indicate that the airflow on the windward surface can be effectively guided by a reasonable parking angle and the spoiler on the wiper arm.This phenomenon consequently decreases the aerodynamic forces.The optimized proposal has been validated by flight test, provided theoretical support for the pre-tightening force and parking position.

windshield wiper;N-S equations;aircraft;aerodynamic force;optimal design; spoiler;moment of force

V211.3;V244.1+5

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0225

0258-1825(2016)06-0797-06

2015-12-21;

2016-01-27

苗新宇*(1986-),男,内蒙古巴彦淖尔人,工程师,主要从事飞机防冰与除雨的设计与研究工作.E-mail:mxy25825@126.com

苗新宇,朱永峰,胡泱.基于N-S方程的飞机风挡雨刷气动力计算[J].空气动力学学报,2016,34(6):797-801.

10.7638/kqdlxxb-2015.0225 Miao X Y,Zhu Y F,Hu Y.Computational research on aerodynamic forces of aircraft windshield wiper based on the N-S equations[J].Acta Aerodynamica Sinica,2016,34(6):797-801.