超巨型地效飞行器巡航状态气动特性数值模拟

2020-08-12张思煜魏小辉黄精琦

机械设计与制造工程 2020年7期

张思煜，聂宏,2，魏小辉,2，黄精琦

(1.南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏南京 210016)(2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京 210016)

对于接近地面或水面飞行的飞行器而言，由翼尖涡流引起的下洗速度将会降低，从而使由翼尖涡流诱导速度引起的诱导阻力减少，同时机翼下表面与地面之间的流动阻塞使得机翼下表面压力增大从而使升力增加，这种现象被称为地面效应[1]。地效飞行器就是一种利用地面效应进行低空掠海飞行的海上平台，是一种介于常规飞机和船舶之间的新型运载工具，兼具飞机的高速飞行能力和船舶的高承载能力。地效飞行器的升阻比高、耗油率低，具有较高的巡航速度和较长的续航时间。

地效飞行器在地效区内飞行时升阻比高，而超出地效区时飞行效率非常低。地效区的高度范围与飞行器本身的特征尺寸(一般指机翼的平均气动弦长)有关。普通地效飞行器需要降低巡航高度以充分利用地面效应，但在海上飞行时很容易受到恶劣海况的影响，因此地效飞行器要发挥地面效应的优势进入军事领域，大型化是其发展的必然趋势[2]。超巨型地效飞行器具有高效、快速及大装载量的优点，有很大的民用和军用潜力。

飞机在概念设计阶段，通常需要使用大量的经验公式和数据。但关于超巨型地效飞行器的研制，国内外的相关资料与案例较少。1966年，“里海怪物”KM号[3]在高尔基市附近的海军造船厂完成建造，该地效飞行器总长为92.3 m，最大宽度为37.6 m，最大高度为22.0 m，质量为544 t，KM号可搭载900名士兵，以最高470 km/h的速度飞行在4～14 m的最佳高度上，并能跨越3 m高的波浪，但此后由于资金问题，俄罗斯地效飞行器的大型化没有进一步的发展。美国对地效飞行器的研制开发晚于苏联，2002年9月初，美国波音公司公布了一种巨型运输机的设计概念，并将其称为“鹈鹕” 超大型运输机(Pelican ultra large transport aircraft)，该机的机身长度为109 m，翼展达152 m，机翼面积超过4 050 m2[4]，但“鹈鹕”始终未真正面世。中国在20世纪60年代后期才开始地效飞行器的研究[5]，但到目前为止，尚未对大型地效飞行器进行开发研制。

由于地面效应的存在，飞行器的气动特性和飞行性能与自由空间飞行状态相比有较大的区别。借助风洞试验研究地效飞行器的气动特性是较为稳妥的方法，但由于风洞试验测验点较多、吹风时间长、成本较高，因此可借助数值模拟计算进行地效飞行器外形参数选择和气动特性分析。目前主要的气动计算方法包括基于升力面理论的镜像法、基于势流的边界元法、基于基本解叠加的面元法和求解N-S方程的有限体积法[6]。本文采用有限体积法求解定常可压缩流动的质量加权平均N-S方程和Standard-Allmaras湍流模型[7]模拟气流场,通过分析端板尺寸、安装角、巡航高度、飞行迎角等因素对气动特性的影响，研究超巨型地效飞行器巡航状态的气动性能。

1 地效翼气动设计

1.1 端板高度的影响

目前地效翼主要有简单式和复合式两种[8]。本文的地效翼由小展弦比主翼与置于端板外侧的附加外翼组合而成。主翼与端板的结合使机翼与水面形成封闭的空腔，使高动能的气流流动受到阻滞，变成静压高的气流，从而产生大的附加垫升升力。本文将研究端板的高度对地效特性的影响。

1.2 地效翼安装角的选择

地效飞行器在地效区巡航飞行时，由于机翼下表面与水面之间的流动阻塞使机翼下表面压力增大，从而使升力增加。但当迎角为负时，前方来流不能重复进入到机翼下面，不利于地效飞行器对地面效应的充分利用[7]，因而地效翼一般需要一个比较大的安装角，以提高气动力品质。本文通过研究气动特性随机翼安装角的变化情况，确定地效飞行器能够充分利用地面效应时对应的机翼安装角。

2 计算模型

2.1 几何模型

利用CATIA对超巨型地效飞行器进行三维建模，具体参数见表1。

表1 超巨型地效飞行器参数

超巨型地效飞行器的总体布局形式为：水机型机身，复合型机翼，T型尾翼，采用垫升发动机和巡航发动机相结合的动力装置。采用相同高度不同厚度的端板进行分析。地效翼外形如图1所示。

图1 地效翼外形

2.2 网格划分

利用ICEM软件生成计算网格。计算域为长方体，如图2所示。机身长度方向尺寸为机身长度的10倍，展向尺寸为机翼半展长的6倍，由于地效飞行器飞行高度较低，因此调整计算域的下边界与地效飞行器机翼下翼面的距离为实际的巡航高度即可。

图2 计算域

网格划分一般是由线到面、由面到体[10]。在进行线网格划分时，对于如机翼前后缘处气流变化剧烈的部位要加密网格，以保证计算结果的可靠性。地效飞行器几何外形复杂，曲面形状不规整，在对整个飞行器表面进行面网格划分时，曲率较为复杂处不必为了过于强求网格与模型的重合度而使网格密度过高，以免影响到周围网格数量。应时常检查已经生成的网格质量，必要时可以调整对应线上的网格节点，重新划分或者调整面网格。

本文气动分析采用N-S方程，考虑到计算结果的精确性，体网格要求有附面层。选取第一层附面层高度为0.004 28 mm，共取10层。网格划分完成后面网格总数约为44万个，体网格总数约为926万个。复合型地效飞行器体网格划分如图 3所示。

图3 复合型地效翼地效飞行器体网格

2.3 边界条件的确定

1)物面边界条件。

地效飞行器表面设置为物面边界条件(wall)，该边界条件保证飞行器表面气流无滑移且不可穿透。

2)压力远场边界条件。

本文分析计算的是地效飞行器巡航状态的气动特性，巡航马赫数Ma=0.45，流体的压缩性不可忽略，需要按可压流来处理，压力远场条件(pressure far-field)适用于给定可压缩流的自由流边界条件。因此，对计算域距离地效飞行器较远的4个平面(计算域前面、侧面、上面、后面)选用压力远场边界条件。

3)对称边界条件。

本文只研究地效飞行器的纵向特性，不考虑侧滑、滚转等情况，故使用半模型进行分析，只需将计算域的对称面设定为对称边界条件(symmetry)。

4)地面边界条件。

地效飞行器是利用地面效应实现掠海高速飞行的运载工具，地面设置为移动壁面边界，移动速度为来流速度[9]。

2.4 求解方法设定

本文采用有限体积法求解定常可压缩流的质量加权平均N-S方程和Standard-Allmaras湍流模型进行模拟。由于流体压缩性不可忽略，因此选择基于密度的Implicit隐式及Roe-FDS求解算法[10]。

3 气动特性分析

3.1 地效翼安装角及端板高度研究

在地效区内，给定飞行迎角，以主翼平均气动弦长c为基准，选取不同端板高度(地效飞行器水平放置时端板底面距离主翼1/4弦长的高度)，研究其对地效飞行器气动特性的影响，结果见表2。

表2 不同端板高度气动特性对比

从表可以看出，地效飞行器在地效区内飞行时，端板能有效增大升力、减小阻力，端板高度越大，升阻比越大。但在地效区外，端板对升阻力系数影响很小，可以忽略。

图4～图6为给定飞行高度和迎角的情况下，超巨型地效飞行器气动参数随主翼安装角的变化情况。

图4 升力系数随安装角变化

图5 阻力系数随安装角变化

图6 升阻比随安装角变化

由图4～图6可以看出，超巨型地效飞行器升力系数和阻力系数均随主翼安装角的增大而增大，升阻比在机翼安装角i0为3°～5.5°的范围内呈线性增大的趋势，此后增幅降低，至8°左右基本不变。综合分析，本文选择主翼安装角为6°，此时飞行器具有较好的气动特性。

3.2 巡航飞行高度研究

(1)

式中：H为地效翼翼尖高出海平面的高度[5]。

图7～图9是在飞行迎角α=0°的情况下相对飞高对超巨型地效飞行器气动特性的影响。

图7 升力系数随相对飞高变化

由图 7可以看出，超巨型地效飞行器的升力系数随相对飞高的增大而不断降低，且相对飞高越大，升力系数的变化越慢。由图 8可以看出，阻力系数随相对飞高的增加而有所增大，但变化不明显，说明相对飞高的变化对总阻力的影响不大。由图 9可以看出，升阻比随相对飞高的增加而减小，当巡航高度超出地效区以后，升阻比的变化很小，几乎可以忽略。

图8 阻力系数随相对飞高变化

图9 升阻比随相对飞高变化

综合考虑地面效应以及海况对飞行器的影响，本文超巨型地效飞行器的最佳巡航高度为5～30 m。

3.3 飞行迎角研究

常规飞机通常会研究其气动性能与飞行迎角之间的关系，因此本文选取飞行迎角为变量，研究地效飞行器气动特性随飞行迎角变化的情况。但是由于超巨型地效飞行器巡航高度低而机身长度长，迎角的变化会对整机产生较大的影响，故本文选取的迎角变化范围较小，以避免在近水面巡航时，海面波浪对机身和地效翼产生较大的影响。选择特定的巡航高度，对地效飞行器不同迎角下的气动特性进行分析计算。

由图10～图11可以看出，当迎角增大时，地效飞行器的升力系数呈近似线性增大趋势，阻力系数随迎角增大而增大。