不同后掠形式栅格翼气动特性的研究*

陈　阳,马贵春,王　博

(中北大学机电工程学院,太原　030051)



不同后掠形式栅格翼气动特性的研究*

陈阳,马贵春,王博

(中北大学机电工程学院,太原030051)

摘要:栅格翼是一种较之传统翼具有诸多优点的新型的多面翼,但是栅格翼的主要缺点是阻力大。前期研究表明,栅格翼后掠能有效减小阻力。文中基于此对不同后掠形式的栅格翼进行了数值模拟。结果表明,在超声速阶段前缘后掠削尖模型能更有效的减小阻力;升力方面,在不同的马赫数范围,前缘后掠、前缘后掠削尖及整体后掠基础上的前缘后掠都有较好的升力特性;总体来讲,在文中前缘后掠削尖模型的升阻比最大,表现出最好的气动特性。

关键词:栅格翼;前缘后掠;削尖;气动特性

0引言

栅格翼的诸多优点得到了国内外的广泛关注,为此国内外学者做了大量的研究。研究表明,栅格翼的气动特性与外形特征紧密相关。Wm.DavidWashington在1993年最早提出整体后掠栅格翼的想法,发现整体后掠栅格翼可有效减小阻力[1]。邓帆、陈少松等人则采用数值计算的方法对栅格翼的减阻效果进行研究,结果表明,相比整体后掠而言,栅格翼前缘局部后掠是一种更有效的减阻方式。栅格中心为尖点后掠的方式与栅格交接点后掠相比,栅格交接点后掠表现出更好的减阻效果[2]。邓帆、陈少松等人采用数值模拟的方法对不同栅格形状的升阻效果进行了研究。结果表明,等弦长、等升力面积、不同迎风口形状的模型有不同的气动特性,斜置45°正方形模型的升力系数最大[3]。雷娟棉分别对栅格尾翼的格数、格壁厚度以及格壁前缘倒角进行了研究,结果表明,太多的格数,反而对其升阻比有不利影响,在满足需要的情况下,尽可能多的使用薄格壁,最好对前后缘进行倒角[4-5]。YanZeng在前缘后掠的基础上对前缘进行20°的削尖,数值模拟表明,该种方法能更好的减小阻力,达到更为理想的减阻效果[6]。

1数值方法

1.1控制方程

曲线坐标系下的雷诺平均N-S方程:

式中:Q表示守恒变量矢量;F、G和H表示无粘通矢量;Fv、Gv和Hv表示粘性通矢量。采用有限体积法对空间进行离散,离散格式采用AUSM+,时间项采用隐式LU-SGS方法。湍流模型采用Realizablek-ε模型,并使用带双层模型的增强壁面函数。

1.2边界条件

远场边界条件:采用自由流条件,入流边界采用来流值。物面边界条件:采用无滑移条件。

2研究模型

2.1计算的物理模型

图1　不同后掠形式栅格翼的研究模型及工程图

为探索不同形式的栅格翼,设计了4种模型,一个前缘后掠的栅格翼模型,具体参数见图1,模型的框架尺寸相同,如图1(a)、图1(b),后掠角为55°,模型的迎风面最前沿距背风面为5.014mm,其为栅格格间交接点为尖点,模型定义为GP。栅格翼整体后掠的模型如图1(c)、图1(e),翼面后掠角为30°。为了分析前缘削尖这一减阻因素对栅格翼气动特性的影响,分别前缘后掠进行削尖,其削尖角度为20°,即GP-Sharp如图1(f)、图1(g)所示。为比较前缘后掠与削尖对栅格翼气动特性的贡献大小,在整体后掠的基础上进行前缘后掠,模型定义为GISB如图1(h)所示。

2.2网格的生成及计算

四组模型的计算网格如图2所示。统一参考长度L=3.864mm,参考面积S=213mm2。

采用非结构网格,网格划分时,在物体附近及流场对网格进行加密,而在远场及流动相对稳定的区域网格的划分相对比较疏松。

图2　网格示意图

3计算结果及分析

该计算来流范围主要是在超声速阶段,在此期间模型的阻力主要是波阻。由此进行了两种不同形式的数值计算模拟:图3是四种栅格翼模型零升波阻随马赫数变化的变化曲线。图5、图6则是四种模型在攻角α=6°时的阻力系数与升力系数随马赫数变化的变化情况。

图3　Cd0随Ma的变化曲线

从图3可以看出:GI模型的零升波阻随马赫数的变化范围不大,其余三种模型都随马赫数的增加而有所减小,在Ma>2时减阻效果更加明显。模型GP-Sharp的减阻效果要优于模型GP及模型GISB。为分析其原因,在马赫数Ma=3时模型GP-Sharp、模型GP、模型GISB、模型GI的Y-Z平面内截取一个平面,平面穿过栅格翼边框中心(X=0)。

图4　不同模型的Y-Z平面的压力云图

从图4可以看出:对于模型GP与模型GP-Sharp来讲,栅格的前缘均有后掠并且每一个面都有尖点,在超声速下更容易使得激波附体,减弱了激波的强度,因此比模型GI的减阻效果要好。对于模型GI与模型GISB来讲,由于模型GISB是在整体后掠基础上的局部后掠,相比GI模型来讲使得其在前缘后掠交接点处的激波大大减弱,减阻效果要比模型GI好。而模型GISB在上下齿处产生的激波在栅格后形成大面积的气流阻滞,从而大大增加了栅格翼的阻力。

下面改变来流方向,使攻角α=6°。此时再来观察四种模型的升力系数、阻力系数随来流马赫数变化的变化情况。

此时,着重分析升力系数的变化。

图7　不同模型的Y-Z平面的压力云图(α=6°)

从图5中可以看出,在Ma>2时,模型GP-Sharp升力系数整体要高于模型GP与模型GISB。由于升力主要是迎风前缘上下壁面的压力差而产生的,从图7(c)可以看出GI模型的压差最小,故升力系数也最小。对于模型GP与模型GISB随着马赫数的增加,上下壁面的压差也会越来越大,升力系数自然升高,所以两个模型在Ma=3时升高。但是随着马赫数的

图8　四种模型的升阻比k随马赫数的变化曲线

逐渐升高,上下壁面的高压区逐渐缩小,从而导致模型GP-Sharp在Ma=3时下降,以及模型GP与模型GPSB在Ma=4以后下降。

从图8可以看出,模型GP-Sharp的升阻比最高。

4结论

通过对四种模型的数值模拟,得出如下结论:

1)在超声速阶段,模型GP-Sharp比其他三种模型具有更好的减阻效果,马赫数越大减阻效果越明显。

2)在超声速阶段,模型GP-Sharp与GP及GISB在不同的马赫数区间表现出不同的升力优势。而在跨声速阶段模型GI的升力特性要远远高于其他三种模型。

3)从升阻比曲线中可以看出,模型GP-Sharp的升阻比最高,表现出最好的气动特性。

参考文献:

[1]WASHINGTONWmDavid,BOOTHPamelaF,MILLERMarkS.Curvatreandleadingedgesweepbackeffectsongridfinaerodynamicscharacteristics:AIAA93-3480 [R]. 1993.

[2]邓帆, 陈少松. 栅格翼外形特征对减阻影响的研究 [J]. 实验流体力学, 2011, 25(3): 10-15.

[3]陈少松, 余永刚. 亚跨音速栅格的升阻特性数值研究 [J]. 弹道学报, 2009, 21(4): 34-37.

[4]雷娟棉, 吴小胜, 吴甲生. 格栅尾翼(舵)外形参数对气动特性的影响 [J]. 北京理工大学学报, 2007, 27(8): 675-679.

[5]吴小胜, 雷娟棉, 吴甲生. 格栅翼外形参数对气动特性影响的数值计算研究 [J]. 兵工学报, 2007, 28(12): 1468-1472.

[6]ZENGYan.Dragreductionforsweptbackgridfinwithbluntandsharpleadingedges[J].JournalofAircraft, 2012, 49(5): 1526-1531.

*收稿日期:2015-03-31

作者简介:陈阳(1989-),男,山东泰安人,硕士研究生,研究方向:航天飞行器结构设计与优化。

中图分类号:TJ760.11

文献标志码:A

TheInvestigationofGridFinswithDifferentSweptWayonAerodynamicCharacteristics

CHENYang,MAGuichun,WANGBo

(SchoolofMechatronicsEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:Grid fins is a new kind of wing more advantageous than traditional wing, but the drag of grid fins is its main drawback. Early research has shown that the swept grid fins can reduce resistance effectively. In this paper, numerical simulation, was studied based on different swept form of grid fins. The numerical results show that at supersonic speed stage, the model of forward-swept sharping can effectively decrease the resistance. As to the lift, in different Mach range, forward-swept, forward-swept sharping and the whole-swept have good lift characteristics; In general, the forward-swept sharping has the largest lift-to-drag ratio, showing the best aerodynamic characteristics.

Keywords:grid fins; forward-swept; sharping; aerodynamic characteristics