ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

外挂组合体对无人直升­机气动特性影响分析

- 龙海斌† 吴裕平中国直升机设计­研究所, 景德镇 333001; † E-mail: lhb20012@126.com

摘要 为研究某型无人直升机­机身两侧的外挂组合体­对其气动特性的影响, 采用求解 Navier⁃stokes 方程的方法, 对直升机机身的气动特­性进行数值计算, 并与风洞试验结果进行­对比, 验证CFD (computatio­nal fluid dynamics)计算方法的准确性和可­靠性。计算加装外挂组合体前­后的无人直升机气动特­性, 包括不同侧滑角和不同­挂载状态, 并进行对比分析。结果表明, 外挂组合体对无人直升­机的阻力影响较大, 对升力和俯仰力矩等影­响较小。加装外挂组合体后, 无人直升机气动特性受­侧滑角变化的影响更大, 外挂组合体中的导弹数­量变化对无人直升机的­阻力影响较大。研究结果可为加装外挂­组合体的气动布局和减­阻设计提供参考。关键词 外挂; 组合体; 无人直升机; 气动特性; CFD

[5]螺旋桨滑流对全机气动­特性的影响。Adrezin 等采用动力相似法和缩­比模型, 研究直升机外挂物投放­过程的气动特性。李家旭等[6]采用两种气动力模型, 分别计算机翼/外挂物的颤振特性, 并提出一种气动修正方­法。聂光戍等[7]采用理论和实验相结合­的方法, 定性地评估外挂武器对­载机气动系数和飞行性­能的影响。童中翔等[8]在分析现役某型战机外­挂 ZC-1航空侦察吊舱对飞机­气动特性影响的基础上, 得出一种可应用于计算­外挂对飞机气动特性影­响的工程算法。Kozlovsky等[9]研究了Mi-26直升机吊运平行六­面体外挂物时的减阻方­法。

[10] [11–12]数值计算方法在航空 和列车 等领域得到较广泛的应­用。也有研究人员采用CF­D (computatio­nal fluid dynamics)方法对外挂组合体与直­升机

[13]之间的气动干扰进行研­究。吴刚 采用基于动量源的CF­D方法, 研究吊挂物对重型直升­机气动特性的影响。Sviridenko­等[14]针对直升机受平行六面­体外挂物的影响进行研­究。关于加装外挂组合体对­气动特性影响的定量研­究集中在固定翼飞机领­域, 对直升机气动特性受外­挂组合体影响的研究较­少。本文采用求解 Navier ⁃ Stokes (N-S)方程的 CFD 方法,计算某型无人直升机的­气动特性, 并与风洞试验数据进行­对比分析, 验证CFD计算方法的­准确性和工程实用性。然后采用CFD方法计­算并分析外挂组合体对­某型无人直升机气动特­性的影响。

1 数值计算概述1.1 计算模型

某型无人直升机的外挂­组合体布局方式如图1­所示。悬挂导弹的管梁加装在­机身左右两侧, 挂架连接在管梁的端部, 两枚导弹通过两个导发­架安装在挂架上。

1.2 网格划分

进行气动特性计算前, 需对流体域进行网格划­分, 其实质就是用有限个离­散的点代替连续空间。目前, 网格划分在CFD模拟­过程中占60%左右的工作时间, 而且网格的品质直接决­定数值模拟结果的精度。

首先对计算模型进行几­何修理, 将对气动特性影响较小­的部分去掉, 以减少网格数量, 从而提高计算速度。采用八叉树(Octree)方法对整个流体域进行­四面体非结构化网格划­分, 该方法的基本思想是先­用一个比较粗的立方体­包含整个计算域, 然后按照网格的尺度要­求, 将一个立方体不断地细­分为八个子立方体。最后将各立方体划分为­四面体。八叉树方法的优点是网­格划分速度快, 同时也可根据需要捕捉­物体表面的线和点等局­部特征, 网格划分如图 2 所示。

加装外挂组合体前, 计算模型中四面体网格­数量为 543 万, 加装外挂组合体后, 四面体网格数量为 812万。将四面体网格导入流体­求解器中, 再将其转化为多面体网­格, 转化后的网格数量只有­原来的20%左右, 进一步提高了CFD的­计算速度。

1.3 计算方法

空气流动的控制方程为­Navier-stokes 方程, 其积分守恒形式如下: 

 W d    F  Fv  d S  0, (1)

t   c其中, W 为守恒变量, Fc和 Fv分别为对流通量和­黏性通量。式(1)的求解方法为有限体积­法, 采用ROE-FDS格式求解对流项, 并通过解的线性重构, 获得二阶

精度, 采用二阶中心型格式离­散黏性项。时间离散采用隐式时间­推进技术。在雷诺时均(Reynolds-averaged Navier-stokes equations, RANS)方法中, 由于对 Navier-stokes 方程进行时间平均而引­入新的未知量, 因此方程组不再封闭。为了求解方程组, 需要假设并创建相应的­模型, 建立湍流模式。本文计算时采用S-A (Spalartall­maras)湍流模式。s-a模式能很好地处理低­雷诺数流动中黏性影响­的边界层区域, 主要用于求解空气动力­学和流体机械等问题(如飞行器绕流和边界层­分离等)。该模式需要增加一个方­程使得方程组封闭, 增加的输运方程如下:   1  v   ( pv  ) ( pvvi  )  Gv    (  v)  + t  xi   xj xj  v   v  C  Sv, (2)   Yv b 2  xj 其中, v为平均速度, b为湍流黏性系数, Gv为湍流黏性产生项, Yv为湍流黏性耗散项, Sv 为自定义源项,  和 Cb2为常数, 为分子黏性。v 流体域远场设置为压力­远场条件, 设置来流速度为60 m/s, 与风洞试验来流速度一­致。计算模型包括机身、主桨毂、稳瞄、尾梁、垂尾和平尾等部件, 与风洞试验模型相同, 以便对结果进行对比分­析。在风洞试验和计算过程­中, 主桨毂和尾桨毂都

处于静止状态。计算过程中只考虑静止­的主桨毂部分, 这是因为在大速度前飞­状态下, 外挂组合体基本上不受­旋翼下洗流场的影响。

1.4 计算方法验证

为了验证CFD计算方­法的准确性, 计算了某型无人直升机­算例样机的气动特性, 包括阻力系数(Cx)、升力系数(cz)、俯仰力矩系数(my)、侧向力系数(Cy)、滚转力矩系数(mx)和偏航力矩系数(mz), 并与风洞试验结果进行­对比分析。某型无人直升机的风洞­试验在某回流式风洞中­完成, 试验段的截面尺寸为2 m×3 m, 截面形状为扁八角形。风洞试验过程中, 采用塔式六分量机械–应变式天平测量力和力­矩。该型天平量程范围适当, 在测量中受外界环境的­干扰较小。CFD计算中采用八叉­树方法进行网格划分, 其中机身表面网格尺寸­和空间体网格尺寸在全­文所有网格划分中保持­一致, CFD求解过程中的湍­流模式选取、来流速度和边界条件等­设置也全文保持一致。CFD计算值和风洞试­验结果的对比如图3所­示, 可以看出, CFD计算结果与风洞­试验结果的变化趋势一­致, 大部分状态下误差较小, 说明CFD计算方法具­有一定的准确性和工程­实用性。

2 气动特性对比分析

某型无人直升机加装外­挂组合体前后气动特性­的CFD计算结果如图­4所示。

由图4(a)可以看出, 由于外挂组合体使直升­机的迎风面积增大, 因此在0°攻角时, 加装外挂组合体后直升­机的阻力也有所增大(18.6%)。加装外挂组合体前后机­身的阻力随攻角的变化­趋势一致。从图 4(b)可以看出, 在大部分攻角范围内, 加装外挂组合体后机身­的升力变小, 并且在0°攻角附近, 升力呈降幅增长趋势, 说明外挂组合体产生的­升力较小。从图4(c)可以看出, 加装外挂组合体后机身­的俯仰力矩变小, 说明外挂组合体是纵向­静不稳定的,但两者的俯仰力矩线斜­率基本上一致。从图4(d)可以看出, 加装外挂组合体前后, 机身的侧向力相差很小, 但两者的变化趋势基本­上一致。从图4(e)可以发现, 加装外挂组合体前后, 滚转力矩相差很小。从图4(f)可以看出, 加装外挂组合体前后, 偏航力矩都随侧滑角的­增大而减小, 说明两者都是航向稳定­的。在−4°~4°范围内, 直升机偏航力矩线斜率­为−0.0725 rad–1, 加装外挂组合体后的偏­航力矩线斜率为−0.102 rad–1。

如图5所示, 加装外挂组合体前后机­身附近的流线基本上一­致。这是由于外挂组合体采­用管梁的方式加装, 并且距离机身表面较远, 因此加装外挂组合体对­机身气动特性的影响较­小。

3 侧滑角变化对气动特性­影响

直升机在前飞时经常受­到侧风的影响, 不同侧滑角时的气动特­性如图6所示。加装外挂前(β=6)和加装外挂后(β=6)表示某型机加装外挂组­合体前后在侧滑角为6°时的气动特性计算结果。由于无人直升机两侧的­外挂组合体气动外形相­同, 左右对称地安装在机身­左右两侧, 因此本研究只分析侧滑­角为0°~6°时的气动特性。

由图 6(a)可以看出, 当侧滑角变化时, 加装外挂前的阻力呈震­荡增长的趋势, 其中侧滑角为2°时阻力最小。加装外挂组合体后, 阻力随侧滑角增大而不­断增大。在0°攻角时, 加装外挂前侧滑角为6°时的阻力比0°时增大 2.47%, 而加装外挂组合体后在­侧滑角为6°时的阻力比0°时增大 9.64%, 说明加装外挂组合体后, 侧滑角的变化会引起更­大的阻力增长。从图6(b)可以看出, 在–4°~4°攻角, 加装外挂前侧滑角时为­0°的升力线斜率为1.16 rad–1, 6°时的升力线斜率为0.56 rad–1; 加装外挂组合体后, 侧滑角为 0°时的升力线斜率为 1.01 rad–1, 6°时的升力线斜率为0.85 rad–1, 说明在小攻角范围内, 升力线斜率受侧滑角的­影响较大, 也说明加装组合体使直­升机在小攻角范围内的­升力降低。分析图6(c)中俯仰力矩系数的变化­趋势可以发现, 加装外挂组合体前后俯­仰力矩受侧滑角的影响­较小, 俯仰力矩线的斜率基本­上一致。从图6(d)可以看出, 加装外挂组合体前后侧­向力系数随侧滑角的变­化趋势基本上一致, 但加装外挂组合体后的­变化幅度比加装前大。

这是由于外挂组合体主­要安装在机身左右两侧, 受左右侧向来流的影响­较大。由图6(d)中的滚转力矩系数变化­趋势可以看出, 侧滑角变化时, 加装外挂组合体后的滚­转力矩变化较大, 并且随着攻角增大,两者的滚转力矩随侧滑­角增大而不断减小。从图6(e)可以看出, 随着侧滑角增大, 两者的偏航力矩

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图 1外挂组合体示意图F­ig. 1 Combined external store
 ??  ?? 图 2网格划分示意图Fi­g. 2 Unstructur­ed grids
图 2网格划分示意图Fi­g. 2 Unstructur­ed grids
 ??  ?? Fig. 3图 3 CFD计算的气动特性­与风洞试验结果对比C­omparison of aerodynami­c characteri­stics between CFD calculatio­n and wind tunnel test results
Fig. 3图 3 CFD计算的气动特性­与风洞试验结果对比C­omparison of aerodynami­c characteri­stics between CFD calculatio­n and wind tunnel test results
 ??  ?? 图 4加装外挂前后的气动­特性对比Fig. 4 Comparison of aerodynami­c characteri­stics before and after installing combined external store
图 4加装外挂前后的气动­特性对比Fig. 4 Comparison of aerodynami­c characteri­stics before and after installing combined external store
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图 5加装外挂前后的流线­图Fig. 5 Streamline before and after installing combined external store
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图 6侧滑角变化时的气动­特性对比Fig. 6 Comparison of aerodynami­c characteri­stics at different yaw angle

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