不同栅格翼模型气动特性研究

山西中北大学机电工程学院　陈阳　马贵春　王博

不同栅格翼模型气动特性研究

山西中北大学机电工程学院陈阳马贵春王博

栅格翼是由外框架和众多薄壁的栅格组合而成的一种新型稳定控制面，具有很多优点，但由于栅格翼的阻力大，在一定程度上限制其应用。本文在前人对栅格翼优良结构和减阻方案探索的前提下，结合栅格翼整体后掠、前缘后掠、栅格壁前后缘削尖等减阻方案，在本人研究基础之上建立模型，在不同马赫数下进行仿真分析研究比较其气动特性。研究结果表明，对栅格翼进行前缘后掠、栅格壁前后缘的削尖，均能够有效提升升力特性。

栅格翼；马赫数；气动特性；仿真分析

引言

栅格翼具有有效升力面积大、压心变化范围小、具有较高的强度、可靠性，同时栅格翼能够折叠，便于储存与运输。Ross A. Brooks［1］对栅格翼的结构研究显示，为提高升力应该在栅格翼内部布置尽可能多的水平面，栅格间交叉面增加强度的同时也会增大阻力，但不能产生有效的升力；栅格翼几何参数方面也有丰富的研究背景，Theerthamalai，P.［2］研究超音速下几何参数（宽高比、厚高比、前缘角）对栅格翼单元的气动力特性的影响，结果表明，随着马赫数的增加和攻角的增大而减小，随着厚度的增加而减少；文献［3］通过风洞实验研究了两种不同安装方式的弧形翼面栅格翼的气动特性，弧形翼面的栅格翼阻力系数均小于翼面无弧度的栅格翼，对栅格翼的迎风面栅格进行一定角度的后掠能有效减小超音速阶段的波阻，是一种栅格翼减阻设计的新思路；邓帆、陈少松等人采用数值模拟的计算方法研究发现栅格翼前缘局部后掠相比整体后掠而言，减阻效果更为明显［4］。

1数值方法

1.1控制方程

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。求解方式选择密度计求解方式，湍流模型选择S-A（Spalart-Allmaras）模型，用萨兰德（sutherland）定律计算空气粘度，栅格翼攻角为8°，方向角为0°，选用基于节点的高斯—格林函数法（Green-Gauss Cell Based）作为求解梯度的方法。

1.2边界条件

设置圆柱体流场的两端圆面和圆柱面为压力远场PRESSURE-FAR-FIELD边界条件，将栅格翼整体表面设置为WALL边界条件。

2研究模型

2.1计算的物理模型

模型尺寸为整体后倾30°角，栅格高为11mm，宽度为3.86mm，栅格壁厚为0.34mm。本次研究三个模型，在之前研究的GI模型栅格翼和GISB模型基础之上将栅格翼格壁前缘及后缘

进行削尖处理，尖角夹角为20°，图1为GI-S模型。

图1　GI-S三维模型图

2.2网格的生成及计算

栅格翼模型包括框架、栅格壁，而栅格壁的结构形式具有多样化，比较复杂，利用GAMBIT非结构网格的优势，对模型进行非结构网格的划分，如图2所示。

图2　三种模型网格示意图

3计算结果及分析

本次计算模型在来流速分别为0.5Ma、1Ma、2Ma、3Ma、4Ma，攻角α=8°时研究栅格翼的气动性能包括升力系数、阻力系数和升阻比，计算结果分别如图3、4、5所示。

图4　阻力系数随马赫数变化曲线

图3升力系数随马赫数变化曲线

图中GI模型栅格翼升阻比由亚音速到跨音速飞行阶段呈上升趋势；GI-S模型栅格翼在亚音速飞行向跨音速飞行阶段，升阻比发生明显下降；GISB的阻力系数和阻力系数都有突变情况并且cl和cd在同一时刻，GISB在Ma=1.0时达到最大值；观察图5，在飞行速度小于声速的情况下均是削尖的模型相比GI和GISB升阻比较大。GI在1.0＜Ma＜1.5时，前者的气动特性好于后两者，随着马赫数增大，后两者的气动特性逐渐优化，明显优于GI；GISB的气动特性呈现交叉式的变化，如图5。通过图3、4、5说明对栅格翼前缘削尖能够有效减阻，提升栅格翼气动性能。

考虑到这些变化的原因，以GI与GI-S为例（图6）分析。

图6　GI和GI-S的速度云图

GI中（a）（b）中栅格孔内气流速度低于1Ma，未形成激波，气流能够顺畅地流过栅格孔；然在GI-S中仅（a）中栅格孔内气流速度大于流场速度，未形成激波，气流能够顺畅地流过栅格孔；（b）图中在栅格孔后缘气流速度首先达到并超过音速，激波在栅格孔后缘出现；两个模型的（c）～（e）中可发现，两种模型栅格翼的栅格孔内气流速度低于流场速度，产生气流拥塞现象，不利于气流高速通过栅格孔，原因是栅格孔内气流受激波影响或在栅格孔内发生交叉相互干扰，阻碍气流的流通，使栅格翼的阻力迅速上升。由此发现，栅格孔内气流的拥塞随来流马赫数的增加而越发明显，并且GI-S的阻塞小于GI，照应图5。同时证明了图4中阻力系数也随来流马赫数的增加而增加。

4结论

通过CATIA三维制图软件完成了3种不同结构模式的栅格翼模型的设计。通过CFD软件对不同栅格翼模型进行了来流马赫数分别为0.5Ma、1Ma、2 Ma、3 Ma、4Ma，攻角为8°时的气动特性的仿真计算。经过模拟分析发现，GI-S的升阻比最大即气动性能最优，对栅格翼进行前缘后掠、栅格壁前后缘的削尖，都能够有效地增大升阻比拥有可观的升力特性。

［1］Brooks R.A.Experimental and analytical analysis of grid fin configurations［R］.AIAA，1988.

［2］Theerthamalai P，Balakrishnan N.Effect of geometric parameters on the aerodynamic characteristics of grid-fin cells at supersonic speeds［R］.AIAA，2007.

［3］谭献忠，邓帆，陈少松.翼面气动外形对栅格翼减阻的影响［J］.实验力学，2013，28（2）：255-260.

［4］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.

［5］于勇.FLUENT入门与进阶教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2008：21-25.

陈阳，1989年出生，山东泰安人，硕士，研究方向：航天飞行器结构设计与优化。