涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应分析

王江三 王福新

摘 要 在涡桨飞机气动设计实践中，怎样减少螺旋桨滑流对飞机各气动部件形成的影响是重难点之一。本文以一双发涡桨支线客机为研究对象，基于数字模拟手段，探析涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应。通过研究发现，在滑流因素作用下，全机升力与阻力均有上升，升阻比与纵向静稳定度有跌落趋势，其还会于无侧滑状态下形成滚转力矩与偏航力矩。

关键词 涡桨飞机;螺旋桨滑流;数值模拟;流气动干扰

1数值方法

1.1 控制方程及其对应的离散度

使用有限体积法离散求得三维可压缩非定常RANS方程;针对黏性项，使用二阶中心差分格式行离散处理，无黏项通量离散度，借用Roe格式与3阶MUSCL插值法测得;时间推进项利用隐式LU-SGS双时间法。

1.2 搭接面通量插值

深度剖析动态面搭接算法的基本原理，发现其是把流场细化为两个区域，即环绕螺旋桨的圆柱形区及外部静止区，在具体测算过程中前区网格围绕旋转轴转行，于搭接面上两区进行通量的双向插值。结合既往文献资料，确立如下差值关系[1]：

式中，、分别对应的是目标网格单元中心、源网格单元中心的流场变量;依次为源网格单元中心处与方向对应的流场变量梯度。

2构建模型与网格

本次研究中所选用的目标对象为一双发涡桨支线客机，其对应的计算模型见图1所示。

利用ICEM-CFD规划出数个结构网格，要求近壁面首层网格高程符合y+≤1。为确保左右两端网格的统一性，建议先生成半模的网格，随后利用镜像、平移等操作构建全模网格。带动力构型静止域、旋转域对应的网格数目依次为6900万、600万[2]。

图1  背景飞机计算模型结构示意图

3计算结果与分析

3.1 计算和试验的比较

背景飞机于荷兰的DNW-LIF大型低速风洞8×6m试验阶段进行了测压测力试验，试验中选用1：6的缩比模型。计算模型与试验模型等同，计算参数和试验维持统一。自由来流马赫数是0.2，气动弦长的雷诺数平均值大概为200万，侧滑角是0°。带动力构型螺旋桨前进比、拉力系数依次为1.7、0.05。

采用非定常测算带动力构型，各物理时间步螺旋桨转动0.25°采用监测气动力系数的形式去辨识收敛状况，各状态均要测算10～15个周期。本文中涉及的计算涵盖了24个CPU核，用2个节点予以并行计算，一个旋转周期对应时间约为30h。因背景飞机使用了6叶螺旋桨，故而气动力于一个周期会呈现出6次规律性的波动。

滑流对全机气动力形成的影响表现出典型的非定常特征，为和试验测试结果进行比较，应在测算收敛状况后，对一个周期中的气动力予以平均处理。发现在滑流的影响下，全机升力系数与阻力系数指标会有不同程度的增加，升阻比与纵向静稳定性均有跌落趋势。但因巡航状态下螺旋桨拉力系数偏小，气动力并没有出现明显波动。对计算精确度进行分析，发现在-3°～8°迎角的线性区段中，带动力构型升力系数测算偏差≤±3%，向静稳定度偏差≤±5%，阻力系数测算偏差较大，偏差最大值达到了16%，造成阻力系数偏差较大的原因可能是因为测算过程中应用了全端假设，以致摩擦阻力显著大于试验结果。

在滑流的影响下，飞机在无侧滑时形成了滚转力矩与偏航力矩，但因其对应的量值极小，故而精确测算的难度偏大。尽管在具体测得量值上存在一定差异，但测算得到的滚转力矩系

数和偏航力矩系数伴随迎角而表现出的变化走势和试验大体维持一致。由-3°～18°范围内滚转力矩系数呈现出“增→减→增”的走势，整个曲线由两个较为显著的拐点，试验测得曲线拐点分别位于1.5°与16.1°，实际测算得到的曲线拐点位于0°与16.1°。航力矩系数的改变和滚转力相反，同样存在2个较为明显的拐点，实验得出曲线拐点位于0.5°与16.1°，计算得曲线拐点位于1.8°与14.3°。

4滑流对机翼形成的影响分析

在小迎角下，针对滑流对机翼形成影响的研究日益成熟，故而本次主要分析在大迎角下滑流对机翼分离属性形成的影响。对14°迎角下带动力构型以及无动力构型的全机表面極限流线进行分析，发现在螺旋桨下行运动一端，滑流对翼面的流动分离形成明显的以致作用;而在上行运动一端，翼面流动分离并没有出现显著改善。通过计算测得，滑流对各截面分离方位形成的影响趋向和试验研究大体维持一致[3]。

之所以能对螺旋桨下行运动一端的流动分离形成有效抑制，得力于滑流旋转减少了本地迎角度数，延迟了流动分离时间。而在上行运动一端，滑流的旋转拓展了本地的迎角，促进了分离进程。

5结束语

本次研究所罗列的计算方法能较为精确的评估出滑流对气动力分布情况形成的影响。研究结果表明，在滑流的作用下，全机升力与阻力系数均有增加，而升阻比和纵向静稳定性均有跌落，其在无侧滑时形成了滚转力矩以及偏航力。

参考文献

[1] 王科雷，周洲，祝小平，等.低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计[J].航空学报，2018，39（8）：71-87.

[2] 蒋鹏.MA60涡桨飞机螺旋桨加温系统改进研究[J].无线互联科技，2017，17（12）：147-148.

[3] 王科雷，周洲，祝小平.耦合多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼设计[J].航空学报，2017，38（6）：115-127.