螺旋桨滑流对短舱/机翼构型尾迹流场的影响

2019-05-24邓磊段卓毅钱瑞战许瑞飞高永卫

航空学报 2019年5期

邓磊，段卓毅，钱瑞战，许瑞飞，高永卫

1. 西北工业大学翼型、叶栅空气动力学重点实验室，西安 710072 2. 航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089

由于螺旋桨飞机在高推进效率和低排放方面的优势，近年来先进螺旋桨飞机的设计再次成为热点。现代飞机中除超声速飞机和高亚声速的干线客机外，在支线客机和运输机领域，螺旋桨飞机仍占有重要的地位，如欧洲的A400M运输机、国产的M700飞机等。由于其高推进效率带来的起飞和着陆性能的提升，比如短距起降、对跑道要求低等，其军事任务的价值也非常突出。

相对于喷气式飞机，螺旋桨飞机最大的问题是螺旋桨滑流所带来的稳定性和控制性的降低。由于螺旋桨旋转引起的周围流场和尾迹流场的变化，而产生滑流效应；这些效应包括对流场的加速效应、旋转效应、黏性效应和湍流效应等，并对流经的机翼、尾翼和操纵舵面的气动载荷产生影响，改变了飞机部件的气动性能。特别是在双发同向旋转的螺旋桨飞机或者单发失效条件下，滑流效应的不对称会引起飞机稳定性和操纵性的问题。有研究表明，在单发失效时，偏航力矩会比正常状态增加1倍以上[1]，而在襟翼打开时，可能增加1.5倍，同时伴随滚转力矩的巨大变化[2]。而对于双发或四发同向旋转的飞机，滑流效应还会造成两侧机翼出现同方向但不同影响程度和范围的流动侧洗，并引起两侧机翼和尾翼载荷不同；同时，内侧向上旋转(Inboard Up, IU)和外侧向上旋转(Outboard Up，OU)分别对翼尖的上洗起到抑制和加强的作用，更进一步加剧机翼两侧流动的不对称[3]。因此，深入理解滑流的形成机理及其对飞机部件和周围流场的影响，对先进螺旋桨飞机的设计至关重要。

自螺旋桨飞机出现以来，滑流影响机理一直是研究的热点，但多数研究侧重于螺旋桨和机翼的相互影响，关于滑流对尾迹流动影响的机理研究较少，其中试验研究更少。目前关于滑流对尾迹影响研究的试验方法主要有3种。第1种是使用天平测力方法，如代尔夫特理工大学基于Fokker F27飞机模型开展滑流对螺旋桨飞机纵向和横向稳定性与操纵性影响的研究，特别是在单发失效条件下，滑流对稳定性的影响[2,4-9]；这种方法可以直观地显示滑流对飞机整体性能的影响，但是缺少流动的细节。第2种方法是使用热线或五(七)孔探针进行滑流尾迹流场的空间测量，得到影响区域内的速度型和流动偏转方向等。如Mukund和Chandan使用热线探头测量了螺旋桨尾迹流场，试验策略是模拟了前进比[10]；Coe等使用五孔或者七孔探针进行了螺旋桨尾迹流场的测量研究[11-15],这些研究侧重于螺旋桨滑流的尾迹流场测量，模型为单螺旋桨，难以体现滑流和飞机模型之间的相互作用；李征初等使用七孔探针测量了某运输机有/无动力时滑流尾迹流场，试验构型为小拉力状态的巡航构型[16]。第3种方法是使用PIV(Particle Image Velocimetry)和LDV(Laser Doppler Velocimeter)测量技术测量螺旋桨尾迹流场，但研究集中于在水洞中基于船用螺旋桨开展[17-23]；德国宇航院的Roosenboom等使用PIV技术测量了安装有8叶桨的飞机半模模型周围的滑流流场，研究了滑流流场的非定常性，但是测量范围集中于桨盘后机翼附近的区域[24]，未涉及滑流对尾迹远下游流场。

滑流流场复杂，准确的数值模拟非常困难，因此滑流效应分析需要基于大量的试验数据。为进一步理解滑流效应的物理机理，实验室基于某型螺旋桨飞机的缩比并简化模型，使用包括机翼表面静态测压和动态测压、机翼表面边界层状态测量、荧光微丝流动显示和PIV测量、尾迹流场测量等6种方法开展了滑流影响机理的试验研究，获得了空间流场的静态压力、动态压力、流动显示结果，通过不同类型数据的综合分析，研究滑流对机翼及下游流场的影响规律。由于6种试验方法的数据结果庞大，本文仅分析滑流对螺旋桨/短舱/机翼(PNW)构型远下游流场的影响。

本文介绍了模型下游尾迹区流场测量结果，分析了滑流对远下游尾迹流动的影响规律和特征。尽管滑流区域内表现出典型的非定常特性，但对绝大多数的工程设计和计算问题，将滑流区流动作为定常流动处理也是可以接受的，因此本文在滑流尾迹流场测量中基于时间平均的方法，不涉及流场中的非定常特性。

1 风洞试验

滑流影响机理的风洞试验在西北工业大学翼型、叶栅空气动力学重点实验室NF-3低速风洞的二元试验段进行。NF-3风洞是一座闭口直流式低速风洞，有3个可更换的试验段：二元段、三元段和螺旋桨试验段。二元试验段高3 m、宽1.6 m、长8 m，稳定风速范围为20～130 m/s，紊流度为0.045%。

1.1 试验模型

图1 试验模型Fig.1 Test model

1.2 试验设备

使用五孔探针进行尾迹流场测量。五孔探针可以测量得到流场空间点的静压、总压流向角，通过压力和流向角可以确定3个方向的流动速度。探针头部为圆锥形，锥角为48.2°,直径为3.92 mm，标定测量范围为-30°～30°。试验中，7根探针组成测量耙，间距为60 mm(图2)。

探针测量耙安装在二元试验段三维移测机构上(图2)。机构可以在3个自由度上移动，测量范围x×y×z=±0.5 m×±0.5 m×±1.0 m，精度为±0.05 mm。试验中，三轴同时步进式联动，移动速度为0～20 mm/s。

图2 五孔探针测量耙和三维移测机构Fig.2 Five-hole probe rake and 3-D measurement system

2 试验策略和内容

2.1 试验策略

在螺旋桨飞机的试验中，涉及的相似参数有前进比、拉力系数、扭矩系数和功率系数等，同时模拟所有相似参数非常困难。本次试验采用模拟拉力系数和前进比的方法，在试验风速下，拉力系数和前进比与飞机飞行状态保持相同。

试验策略是：根据风速和前进比，确定各构型下的转速；调整桨叶安装角，直至在试验转速下满足拉力系数。由于螺旋桨-短舱-机翼的相互作用，在短舱和机翼存在时螺旋桨性能和单桨试验相比会发生很大的变化，因此本文在拉力系数和前进比确定时，使用螺旋桨/短舱/机翼的组合模型，结果如表1所示。试验风速为40 m/s，基于机翼弦长的雷诺数约为80万。

表1 相似参数与试验状态Table 1 Similar parameters and experimental conditions

注：β0.7R表示0.7倍展长位置桨叶安装角。

2.2 试验内容

试验内容为两种构型和对应的相似参数条件下，使用三维移测机构和五孔探针测量耙，测量模型有/无滑流影响状态时的远下游流场。3个方向测量平面的范围和定义如下：

1)y方向(即展向)：将距离桨轴0r、±0.75r、±1.0r、1.5r和2.0r(桨盘半径r=210 mm)处且垂直机翼的平面，从内侧向外侧分别定义为第1～第7测量剖面(Wing Section,WS)。

2)x方向(即流向)：将距离桨轴处机翼后缘810～1 610 mm位置(2.53c～5.03c，c为翼剖面弦长)、间隔200 mm、垂直来流方向的平面从前向后定义为第1～第5测量截面(Cross Section,CS)。

3)z方向：将桨轴位置定义为z方向的0位置，测量范围为z=-1 080～540 mm，间隔60 mm。

通过上述3个方向上的测量，在模型尾迹区形成x×y×z=5×7×28的测量点矩阵,如图3所示。

图3 尾迹流场测量范围Fig.3 Measuring range in wake flow field

3 试验结果

在获得每个测量点上的5个压力后，通过五孔探针的数据处理程序，可以得到每个测量位置上的速度和两个流动偏转角；将流动向z的正方向偏转定义为流动下洗角γ的正方向；将流动向y的正方向偏转定义为流动侧洗角β的正方向。通过对比有/无滑流状态的典型迎角下尾迹流场，得到滑流产生的诱导速度和流动偏转，分析滑流加速效应、下洗效应和侧洗效应等影响。

3.1 襟翼收回状态

3.1.1 加速效应和气流的诱导下洗

通过比较机翼展向各剖面尾迹区的诱导速度矢量，分析在滑流效应作用下，尾迹流场的加速效应和诱导下洗。

图4给出了襟翼收回构型迎角α=0°、拉力系数CT=0.05时,第1～第4剖面滑流诱导速度矢量图(俯视图)。可以看出，滑流的加速效应范围在桨轴两侧一倍半径的范围内，在向下游流动过程中，滑流加速区未表现出收缩或扩张。从展向看，机翼内侧的加速要强于外侧。从流向看，由于黏性作用，诱导速度在向下游逐渐减小；诱导速度最大值由第1截面的4.63 m/s减小到第5截面的3.25 m/s。在第4剖面，仅在z=0 mm附近有很小的诱导速度，因此外侧3个剖面的诱导速度不再显示。

图4 襟翼收回构型不同剖面上诱导速度(α=0°,CT=0.05)Fig.4 Induced velocity at different WS of flap-retraction configuration (α=0°,CT=0.05)

图5为迎角6°时各剖面的诱导速度。可以看出，在迎角增加时，滑流诱导速度的大小和气流偏转均增加。随着向下游流动，滑流区向机翼下方偏转的同时，滑流影响范围略有增加，诱导速度减小。最大诱导速度为7.37 m/s，出现在第3剖面的第2截面，滑流区内第2剖面表现为气流的上洗，第3和第4剖面表现为气流的下洗，最大上洗角为1.05°，最大下洗角为1.68°。

为比较诱导下洗和上洗的范围和强度，图6给出了尾迹区第4截面上的下洗角云图(后视图，虚线为桨尖轨迹)。在迎角为0°时，滑流尾迹呈现比较规则的圆形向下游流动；如果将滑流范围划分为4个象限，第Ⅱ象限流动产生诱导上洗，第IV产生诱导下洗；由于机翼的阻挡，第I和第Ⅲ象限的下洗明显较弱。同时由于风洞地板的存在，第IV象限外和地板接触的区域表现为较强的流动下洗。在迎角增加到6°时，滑流区向机翼下方偏转，第Ⅱ象限的流动下洗强度和范围均增加。第IV象限的流动上洗区基本消失，滑流区主要表现为流动的下洗。

图5 襟翼收回构型不同剖面上诱导速度(α=6°,CT=0.05)Fig.5 Induced velocity at different WS of flap-retraction configuration (α=6°,CT=0.05)

图6 襟翼收回构型诱导下洗角云图(后视图)Fig.6 Contour of induced downwash angle under flap-retraction configuration (back view)

3.1.2 气流的诱导侧洗

图7给出了迎角为0°和6°时尾迹区第4截面上各剖面的诱导侧洗角云图(后视图)。可以看出，机翼的存在将下洗分为流经机翼上表面的向外侧洗和流经下表面的向内侧洗。从0°迎角结果可以看出，侧洗效应(旋转效应)主要发生在滑流直径范围内。如果将滑流盘范围划分为4个象限，则在第Ⅱ和第IV象限偏转的程度大于第I第和Ⅲ象限。

从6°迎角的结果可以看出，随着迎角的增加，滑流盘在下游向机翼下方偏转，同时流经上表面向外侧偏转的程度减小而范围增加，流经下表面向内侧偏转的程度增加而范围减小。

图7 襟翼收回构型诱导侧洗角云图(后视图)Fig.7 Contour of induced sidewash angle under flap-retraction configuration (back view)

3.1.3 加速效应的流向变化

从前面的分析可以看出，滑流的加速、下洗和侧洗效应在第3剖面表现最为明显。图8给出了襟翼收回构型3个典型迎角下，第3剖面上速度云图(俯视图)。可以看出在0°迎角时，在机翼上下翼面下游产生近似对称的加速效应，滑流直径约为0.9倍桨盘直径，在向下游流动中，滑流区直径未见明显收缩或扩张；最大速度在距离涡心0.5 倍桨径位置，滑流区以0°迎角向下游流动；滑流区的中心存在速度小于来流的短舱尾迹区，在向下游流动中，尾迹区内速度逐渐增加。

图8 襟翼收回构型第3剖面速度云图(俯视图)Fig.8 Velocity contour of the 3rd WS under flap-retraction configuration (top view)

在迎角为6°时，滑流直径呈现先收缩、后扩张的形态，最小直径出现在机翼后缘3.2倍弦长位置左右。机翼上表面尾迹区的加速效应减弱，下表面尾迹加速效应增加；短舱尾迹区范围增加。

图9给出了滑流区最大诱导速度在流向上的变化。可以看出，在迎角较小时，诱导加速在流向上衰减；随着迎角增加，由于滑流直径先收缩、后扩张，最大诱导速度呈现先增加后减小的形态，但诱导加速衰减更快。

图9 襟翼收回构型最大诱导速度的流向变化Fig.9 Variations of flow direction of maximum induced velocity under flap-retraction configuration

3.1.4 襟翼收回构型滑流效应

在襟翼收回时，滑流加速效应影响的范围在一倍桨盘直径范围内；在迎角较小时，尾迹区内滑流范围未见明显的收缩或扩张；但是随着迎角增加到4°和6°，滑流区呈现先收缩后扩张的形态，最小收缩范围位于机翼后方3～4倍弦长处。随着迎角增加，最大诱导速度增加；在迎角较小时，诱导速度随着向下游流动逐渐衰减，但是迎角达到4°～6°时，最大诱导速度在3～4倍弦长位置达到最大值，而后以较大的速度衰减。

随着螺旋桨的旋转，引起滑流区内气流角度偏转，表现为气流在机翼展向的侧洗和垂直机翼方向上的下洗(或上洗)。通过分析可以看出，机翼内侧剖面加速和上洗的强度，大于对应外侧剖面的加速和下洗，这是由机翼的后掠和机翼弯度造成的。从侧洗角上看，同样是机翼内侧侧洗强度和范围要大于外侧剖面；随着迎角增加，上表面尾迹区侧洗范围和强度增加，下表面减小。

3.2 襟翼打开状态

3.2.1 加速效应和气流的诱导下洗

图10和图11给出了在襟翼打开构型0°和6°迎角时各测量剖面上滑流诱导速度矢量图。和襟翼收回相比，诱导速度的大小和流动下洗程度增加，滑流盘的直径增加。随着迎角增加，滑流区范围没有明显变化，但是气流下洗的程度明显增加。

从图10可以看出，滑流影响范围超过了一倍桨径的范围。在对称的第2和第4剖面上，第2剖面的上洗不明显，第4剖面具有更大的滑流范围和下洗角。从第3剖面的速度型可以看出，诱导速度呈现中心小、两边大且向机翼下方(z负方向)偏心的马鞍型(M型)分布；同时可以看出，流经下表面流动的影响范围、诱导速度和下洗角均大于流经上表面的流动。

图10 襟翼打开构型不同剖面上诱导速度(α=0°, CT=0.2)Fig.10 Induced velocity at different WS of flap-deflection configuration (α=0°, CT=0.2)

图11 襟翼打开构型不同剖面上诱导速度(α=6°,CT=0.2)Fig.11 Induced velocity at different WS of flap-deflection configuration (α=6°,CT=0.2)

从图11可以看出，随着迎角的增加，滑流区更加向机翼下方偏转；在第3剖面上，滑流区内的诱导速度呈现向机翼上表面(z正方向)偏心的马鞍型；流经机翼上方的流动诱导速度大而流动下洗角度小，流经机翼下方的流动诱导速度小而下洗角度大；特别在第4剖面，诱导速度呈现出非常明显的下洗。

3.2.2 气流的诱导侧洗

图12给出了第4截面诱导侧洗角云图(后视图)。机翼同样将滑流区分为上表面尾迹的向外侧洗和下表面尾迹的向内侧洗。在迎角较小时，上表面尾迹区侧洗范围大但侧洗角较小，下表面侧洗范围小，但侧洗强度大。随着迎角增加到6°，上翼面尾迹区的侧洗范围略有增加，下表面侧洗范围有比较明显的增加，但是侧洗的强度降低；同时可以看出，由于机翼的存在，第Ⅱ和第IV象限的侧洗强度大于其他两个象限。

图12 襟翼打开构型诱导侧洗角云图(后视图)Fig.12 Contour of induced sidewash angle under flap-deflection configuration (back view)

3.2.3 加速效应的流向变化

图13 襟翼打开构型第3剖面速度云图(俯视图)Fig.13 Velocity contour on the 3rd WS of flap-deflection configuration (top view)

图13给出了襟翼打开构型第3剖面在典型迎角下的速度云图。可以看出在襟翼打开时，滑流影响范围大于桨盘直径；随着迎角增加，桨盘直径几乎不变，但以更大的角度向机翼下方偏转。从流向上看，随着向下游流动，滑流区扩张。以0°迎角为例，滑流范围从第1截面的1.0倍桨盘直径增加到第5截面上的1.2倍桨盘直径。

图14给出了襟翼打开时，滑流区最大诱导速度在流向上的变化曲线。可以看出，和襟翼收回构型正好相反，最大诱导速度随着迎角的增加而降低，同时在向下游流动时，最大诱导速度在各迎角下均表现为衰减；衰减速度和最大诱导速度成反比，因此在襟翼方5倍弦长处(第5截面)时，最大诱导速度的差别明显减小。

图14 襟翼打开最大诱导速度的流向变化Fig.14 Variations of flow direction of maximum induced velocity under flap-deflection configuration

3.2.4 襟翼打开构型滑流效应

在襟翼打开时，滑流加速效应影响的范围比襟翼收回状态要大，同时在向下游流动过程中，滑流区扩张；迎角变化对滑流区的范围几乎没有影响。和襟翼收回构型不同的是，滑流最大诱导速度随着迎角的增加而降低，并均在向下游过程中衰减。

在诱导流动偏转上看，机翼内侧剖面加速和上洗的强度，大于对应外侧剖面的加速和下洗。从侧洗角上看，同样是机翼内侧侧洗强度和范围要大于外侧剖面；随着迎角增加，上表面尾迹区侧洗范围变化不大，但下表面的侧洗范围增加，这也和襟翼收回构型有明显的不同。

3.3 各种滑流效应的综合比较

3.1节和3.2节分别分析了在襟翼收回和打开构型下的加速效应、侧洗效应和下洗效应的大小与范围。这里以襟翼打开构型时0°和6°迎角状态为例，进一步分析3种效应的关系。

图15给出了襟翼打开构型0°迎角时第4截面上3个典型剖面(第1、3和5剖面)速度(V)、下洗角和侧洗角在有/无螺旋桨时的对比曲线。可以看出，流动的偏转效应范围要大于加速效应范围。侧洗角的对比变化最复杂；如果按照两种状态侧洗角的变化规律，可以将每个剖面的流场从机翼远上方到机翼远下方划分为4个区域。以最为典型的第3剖面为例，区域I内，滑流造成流动有较小的负方向的侧洗角，加速效应和下洗效应不明显；在区域Ⅱ和区域Ⅲ，以机翼尾迹为界，滑流分别造成机翼上方流动向外侧洗和机翼下方流动向内侧洗。区域IV和区域I类似，但是造成侧洗方向不同。在第1剖面，诱导下洗的范围更大，这是由于风洞地板的存在造成的。而在靠近机翼外侧的第5剖面，机翼上方和下方的尾迹表现出明显的侧洗方向不同，这是由于翼尖涡的影响，而滑流的旋转和翼尖涡叠加，加强了尾迹中的侧洗气流。

同时可以看出，对位置对称的第1和第5剖面，滑流效应不论是影响区的范围和强度，都有所不同。另外，在靠近翼尖的第5剖面，翼尖涡和滑流旋转气流叠加，加强了机翼尾迹上下气流的侧洗，但是对下洗角影响较小。

图16给出了6°迎角的对比曲线。可以看出，与0°迎角相比，迎角增加之后第3剖面滑流区范围不变，但在一倍桨径处的第1和第5剖面的滑流范围增加；诱导下洗效应程度增加，但加速效应和侧洗效应减弱。通过有/无滑流存在时侧洗角的变化，同样可以将每个剖面的流动划分为不同的区域。特别是第5剖面，气流的下洗和侧洗更加明显。