三维多段机翼地面效应数值模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252011V01．32No．2257．264ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000-6893(2011)02—0257—08三维多段机翼地面效应数值模拟秦绪国1，刘沛清1，屈秋林1一，徐婕2I．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1001912．中国科协发展研究中心，北京100045摘要：通过数值模拟方法研究多段机翼的地面效应，

2、采用有限体积法求解质量加权平均Navier-Stokes方程，湍流模型选用Spalart—Allmaras模型，利用运动壁面边界模拟地面的相对运动。计算结果分析表明：随着飞行高度的降低，多段机翼的升力、阻力和低头力矩均减小；迎角、展弦比越大，地面效应越明显，升力损失越大；升力的减小主要是由于地面效应导致机翼下方静压增大的气流通过缝隙进入机翼上表面流场，使得机翼下翼面压力的增加量小于上翼面吸力的减小量；地面效应使机翼上翼面翼尖容易发生分离；翼尖涡沿着展向方向向外移动，机翼诱导阻力减小。该文研究结果可以为大型飞机的增升装置地

3、面效应设计提供参考依据。关键词：地面效应；多段机翼；数值模拟；气动性能；流场结构中图分类号：V211．4文献标识码：A现代飞机起飞着陆时，通常利用增升装置以提高低速时飞机的升力，满足起飞着陆要求。增升装置设计对现代民用客机的安全性和经济性有很大的影响，据统计，现代大型民用飞机事故70％发生在起飞着陆阶段，着陆最大升力系数增加1％，可以增加22个乘客或者4400lb(1lb≈0．454kg)货物；起飞最大升阻比增加1％，可以增加14个乘客或2800lb货物LlJ。增升装置多由前缘缝翼、主翼和后缘襟翼组成，复杂的缝隙使得流动

4、变得也非常复杂，其中包括边界层转捩、流动分离以及尾迹流动的互相干扰等[1。2]。随着计算流体力学(CFD)的发展，数值模拟已经开始应用于多段机翼的气动力计算，并已经有大量的关于适用于多段翼型计算的湍流模型的研究，Rumsey等【3]对近年来多段机翼的数值模拟研究进行了总结，发现早期的代数模型、标准h模型等并不适用于计算多段机翼，而从20世纪80年代发展起来的Spalart-Allmaras一方程模型[43等对多段机翼的计算比较准确。起飞着陆阶段中飞机近地面飞行，地面的存在导致流场发生变化，从而引起飞机的气动力发生改变，这

5、种现象被称为地面效应L5]。研究表明，飞机的高升力构型地面效应和干净构型地面效应完全不同[6]，即随着飞行高度的降低，干净构型的升力增加，高升力构型的升力可能是减小的。Steinbach等研究发现，多段翼型地面效应和单段翼型地面效应的气动规律完全不同[7。8]，同时也说明多段机翼不适合作为地效飞行器的机翼。MelvinL副和Zhang等[10]对倒置的两段赛车翼型的地面效应进行了数值模拟和试验研究，发现两段和单段赛车翼型的地面效应有所差异。目前，人们对单段机翼地面效应进行了大量收稿日期：2010·05-04：退修日期：2

6、010-06-04；录用日期：2010—07-02；网络出版时问：2010·11·1109：14网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101111．0914．021．htmIDOI：CNKI：11-1929／V．20101111．0914．021基金项目：国家“973”计划(2009CB72400101)；“凡舟”青年科研基金(20090504)*通讯作者．Tel．：010·82339592E-mail：qqI@buaa．edu．∞荸}甩穆武

7、泰绪国．剃漳清，屈欷拣．等j

8、三维多段枧翼地面效应数值模拟￡J]．航空学报，2011．32(2)：257-264，QinXuguo。LiuPeiqing．QuQiulin。etaliNumericalsimulationOn3Dmulti-elementwingsingroundeffect[J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．20I

9、．32‘2)l257-264．研究『。作⋯“．对多段机翼的研究也有很多“‘．但计多段机翼地面效应的研究却很少。Paulson“埘带简忡撵翼的两段机冀地面效应进行了进骑研究．们简

10、单襟翼并求形成缝道薪【动．不能体现现代民机常用的多段开缝襟翼的流动现象和气动特性。国内对地面效应的研究仅限于荧于地效E行器的地面效应o‘”一．尚未有大蜊民用客机增升装置地面效应的研究。地面效麻育接影响E机的起降性能．而且对E机起降时的操纵性能也有很大影响．是升降舵或全动平尾设计时所必须考虑的凼索．大E机研翩必须要考虑