四边形格壁后掠式栅格翼气动特性研究

王 迎,马贵春,符文科

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

四边形格壁后掠式栅格翼气动特性研究

王 迎,马贵春,符文科

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

格壁剖面形状不同的栅格翼其升力性能也大有不同,前期研究表明菱形剖面和四角形剖面栅格翼比矩形剖面栅格翼减阻能力更好。文中基于此对后掠45°的栅格翼进行数值模拟研究,结果表明,投影尺寸相同的3种四边形后掠式栅格翼与其正置式相比均能够有效提高升力,增大升阻比,并且菱形和四角形剖面后掠式的栅格翼气动特性均优于矩形剖面后掠式栅格翼。

栅格翼;数值模拟;四边形;后掠式;气动特性

0 引言

栅格翼作为一种不同于常规的翼型,与传统弹翼相比,具有翼弦短、重量轻、强度质量比高、易折叠等结构特点和铰链力矩小、失速攻角大、升力特性好的气动优势。栅格翼的阻力比较大,目前,减阻提升仍是其研究的主要任务。近年来,主要从研究方法、结构形式、几何参数等方面来研究。

Mark S.Miller[1]介绍栅格翼减阻技术的实验研究,利用风洞试验程序用于减少格栅翼的阻力水平的各种技术,研究发现边框剖面形状和格壁厚度在所有马赫数内对栅格的阻力特性有明显的影响;Y.Zeng[2]提出一种后掠式栅格翼,结果表明后掠式栅格翼流动减少堵塞。WASHINGTON W D[3]在曲率和前缘后掠角变化的情况下,研究栅格翼气动性能的变化情况,结果表明,曲率对栅格翼气动特性的影响很小;文献[4-6]从外形参数(格数、格壁厚度、格壁前缘倒角、不同格宽翼弦比)切入研究以及研究单个栅格模型其形状对格栅尾翼(舵)气动特性的影响。

文中在文献[7]研究基础上,针对菱形、四角形、矩形格壁栅格翼的正置式和后掠式(后掠角均为45°)进行数值模拟,在Ma≥1.0和4°攻角下,研究其升阻力特性。

1 数值方法

1.1 控制方程

采用雷诺平均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。离散方程采用基于有限体积法来建立,离散格式采用二阶迎风差分格式,采用基于密度基显式时间推进求解算法求解离散差分方程组。RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)模型采用标准k-ε模型,标准壁面函数。选择基于节点的高斯克林函数求解梯度。

1.2 边界条件和计算条件

边界条件:压力远场边界选择自由流,来流方向选择特定值(攻角4°);物理边界选择不滑动的固定墙。

计算条件:来流马赫数Ma=1.0～4.0(计算间隔为0.5Ma),攻角α=4°,温度T=300 K,来流绝对压力P=101 325 Pa,参考压力P=0 Pa,舵偏角δ=0°,参考长度L=0.12 m,S=0.015 805 6 m2。

2 模型建立

2.1 几何模型

研究栅格翼格壁剖面形状为菱形、四角形、矩形的栅格翼后掠45°气动特性。三维模型如图1:共6种模型图1(a)～图1(f)(jx jxhl sj sjhl lx lxhl),栅格翼边框厚度为10 mm,翼展l(栅格翼两侧壁之间的距离)为308 mm,高度h为506.4 mm,翼弦b为120 mm,格壁厚度为6 mm(其中菱形和四角形剖面最宽处6 mm)翼的间距t为100 mm,后掠角为45°(3种后掠式模型,给出的为其投影尺寸如图2，以模型sjhl为例)。

图2 四角形投影尺寸

3种格壁截面形状如图3:矩形和菱形的尺寸已确定,四角形前后两半段长度比为1∶5。

图3 剖面形状

2.2 网格划分

模型采用ICEM非结构网格划分,网格划分如图4～图5,以菱形剖面为例。

图4 正置式

图5 后掠式

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

采用FLUENT数值模拟计算,在4°攻角和不同来流马赫数下的计算结果如图6～图8所示。

图6 阻力系数Cd随马赫数Ma变化曲线

图7 升力系数Cl随马赫数Ma变化曲线

图8 升阻比k随马赫数Ma变化曲线

从阻力系数变化趋势来看,栅格翼后掠式的阻力系数都明显大于正置式,因为在本次研究中(投影面积相同)后掠式栅格翼实际面积大于正置式,因此阻力也大。菱形后掠和四角后掠的阻力系数都是逐渐增大型,矩形后掠呈波动性,在Ma=2.5达到最大;后掠式栅格翼的升力系数都明显大于正置式栅格翼,并且后掠式的菱形剖面栅格翼和四角剖面栅格翼的升力系数均大于矩形格壁栅格翼的升力系数。

图8表明,3种后掠式栅格翼的升阻比明显大于3种正置式栅格翼;四边形剖面形状中菱形和四角形的后掠式栅格翼的升阻比均大于矩形后掠式栅格翼。

3.2 结果分析

在Ma=1.0时,观察图5～图7各个模型栅格翼的升力系数差不多,但阻力系数不同,升阻比(升力性能)相差很大。以四角形格壁和矩形剖面格壁为例,模型sj的升力性能明显优于模型jx;模型sjhl的升力性能更加优于模型sj。因为相对于矩形剖面,四角形剖面具有更好的流线型(相当于削尖),有效的减小了迎风面激波强度;同样后掠式与正置式四角格壁栅格翼相比,也大大减小了激波强度(见图9)。

图9 Ma=1.0,X=0.01速度云图

图8中升阻比在Ma=2.0时达到最大,以模型sj和sjhl为例分析。比较这两种模型,图10(栅格翼在X方向截面上的压力云图)中模型sj内部栅格之间压力变化较小并且高压带明显多于sjhl模型,说明正置式栅格翼内部发生壅塞比较严重,使得升力系数(图7)低于后掠式栅格翼。在气动性能较优的四角形剖面和菱形剖面格壁栅格翼基础之上,选用后掠式的设计可以明显改善栅格翼内部的气流壅塞,减小栅格翼的激波阻力,具有更优的升力性能。

图10 X=0.1截面压力云图

在超声速来流中(如图8),随着马赫数增加升阻比先减小后增大,在Ma=2.0时达到最优。3种后掠式在Ma>2.0以后,升阻比趋势基本一致即逐渐下降。明显看出(Ma>1.0),后掠式栅格翼的气动性能比较平稳。以性能较优的四角形剖面格壁栅格翼为例分析,如图11(选取Ma=2.0,3.0):正置式和后掠式栅格翼尖端前部都形成了附体激波。比较图11(a)和图11(c)及图11(b)和图11(d)发现,后掠式栅格翼有效的减弱了附体激波,并且随着马赫数增加,附体激波减弱。

图11 模型sj和模型sjhl速度云图

4 结论

通过对6种模型的数值模拟研究,得出以下结论:

1)在投影面积相同的情况下,四边形格壁后掠式栅格翼的升阻比明显大于3种正置式栅格翼即气动特性后掠式优于正置式。

2)四边形格壁后掠式栅格翼的气动性能相比于正置式栅格翼更加稳定。

3)菱形和四角形格壁后掠式栅格翼的气动特性均好于矩形格壁后掠式栅格翼。文中研究的后掠式菱形格壁栅格翼和四角形格壁栅格翼均表现出较好的气动性能。

[1] MILLER M S, WASHINGTON W D. An experimental investigation of grid fin drag reduction techniques: AIAA 94-1914-CP [R]. 1994.

[2] ZENG Y, CAI J S, DEBIASI M, et al. Numerical study on drag reduction for grid-fin configurations: AIAA 2009-1105 [R]. 2009.

[3] WASHINGTON W D, BOOTH P F, MILLER M S. Curvature and leading edge sweep back effects on grid fin aerodynamic characteristics: AIAA 93-3480-CP [R]. 1993.

[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] 陈少松, 张建叶. 格宽翼弦比对栅格翼气动特性的影响 [J]. 南京理工大学学报, 2005, 29(6): 693-696.

[6] 邓帆, 陈少松, 余勇刚. 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.

[7] 李桂君, 马贵春, 李峰, 等. 不同剖面形状的栅格壁对栅格翼气动特性的影响 [J]. 弹箭与制导学报, 2015, 35(1): 103-105.

[8] 于勇. FLUENT入门与进阶教程 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2008: 43-55.

[9] 姚君. 栅格翼减阻特性的数值模拟研究 [D]. 太原: 中北大学, 2013, 28-40.

Study on Aerodynamic Characteristics of Quadrilateral Grid Wall Sweptback Grid Fins

WANG Ying,MA Guichun,FU Wenke

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

The lifting performance of grid fins with different grid sections was also different. Early research showed that the diamond-shaped section and the four angle section grid fins had better drag reduction ability than the rectangular section grid fins. Based on that, the grid fin with 45 degree sweepback was studied by numerical simulation. Results showed that three types of quadrilateral sweptback grid fins and its positive set were able to effectively improve the lift and increase the lift drag ratio. And the aerodynamic characteristics of the diamond-shaped section and four angular section sweptback grid fins were better than the rectangular section sweptback grid fins.

grid fins; numerical simulation; quadrangle; sweptback; aerodynamic characteristics

2016-03-11

王迎(1990-),女,河北邯郸人,硕士研究生。研究方向:航天飞行器结构设计与优化。

TJ760.1

A