地效翼风洞试验支架干扰数值分析

贾 青，杨 韡，杨志刚

( 同济大学 上海地面交通工具风洞中心，上海 201804)

0 引 言

当飞行器接近地面或水面飞行时，升力增大，阻力减小，升阻比急剧升高，这种现象称为地面效应。地效飞行器正是一种利用地面效应提高升阻比的高速运载工具。早在上个世纪60 年代，前苏联就开始进行地效飞行器的研究和设计工作，并取得丰硕的成果。近年来，地效飞行器引起世界多个国家的重视，纷纷开展研究工作［1-2］。

对地面效应及其空气动力特性的研究手段一般有： 理论方法、风洞试验、实艇实验和数值模拟。其中，风洞实验和数值模拟是现今地面效应研究中最主要的两个手段［3-4］。研究者应用数值计算的方法做过大量研究，刘沛清等通过数值模拟的方法对地效飞行器整机的气动性能和分离流动进行了深入分析［5-6］；Mahon S 等对绕地效翼流动及其尾迹进行了数值研究［7］；Yang W 等通过数值方法对地效飞行器特有的动力增升系统进行了系统研究［8-9］；Lee J 等通过数值方法研究了地效翼气动布局对空气动力特性的影响［10］。风洞试验研究是地面效应机理及地效翼空气动力特性研究的重要组成部分。在实验研究方面，Kang D W 等对自由液面下地效翼尾迹区内流动进行了实验研究［11］。目前对地面效应的研究大多采用数值模拟的手段。这是因为：一方面，数值模拟效率高，并且可以满足流动的相似准则； 另一方面，多数风洞不具备移动地面模拟系统，风洞试验周期长、成本高。在地效翼风洞试验中，地效翼的支撑干扰问题是影响试验设计的因素之一。同时，根据风洞类型的不同，存在不同的支撑形式。本文针对在上海地面交通工具风洞中心的空气动力-气动声学风洞内进行的地效翼风洞试验，通过数值模拟的方法对支架和地效翼之间的流动干扰进行分析，帮助试验数据修正。同时，研究结果可为试验优化设计及更深入的试验研究提供参考。

1 数值方法

风洞试验中地效翼模型的安置如图1 所示。数值模拟中模型尺寸参考风洞试验模型，地效翼翼型为NACA0012，展弦比AR=2.5，无端板，地效翼高度h/c=0.1。其中，c =400mm 为地效翼弦长，h 为地效翼后缘到地面的距离。风速v =50m/s，基于弦长的雷诺数Re=1.4 ×106。支架距离地效翼翼尖0.5c，通过直径为10mm 的连杆分别与地效翼和天平连接。

图1 地效翼模型安置Fig.1 Wing in ground effect model

根据模型的对称性，选择半模型作为研究对象。求解定常不可压N-S 方程，湍流模型选用Realizable κ-ε 模型［12］。Realizable κ-ε 模型可以很好地预测地效翼表面压力及尾迹区内流动。动量、湍动能和耗散率的离散化采用二阶迎风差分格式，压力-速度耦合使用Simple 算法求解。与风洞喷口相比，风洞试验中所用地效翼模型较小，因此数值计算中采用半无穷空间计算域。边界条件：入口采用速度入口，出口采用压力出口，侧面及顶部采用对称边界条件( 见图2)计算域边界中地面分为两个区域： 移动带和地面，其中移动带设为移动壁面。数值计算中考虑了地效翼流动模拟中无支架和有支架、流场中只有支架的情况。通过这几组数据的对比研究支架对绕地效翼流动的干扰情况，分析地效翼风洞试验的可靠性。

图2 数值计算域和边界条件Fig.2 Computational domain and boundary conditions

2 计算结果与分析

2.1 空气动力干扰分析

空气动力测量是风洞试验中的主要内容。由于无法对地效翼的空气动力进行直接测量，风洞试验中首先测量地效翼和支架受到的总空气动力，然后仅保留支架，测量支架所受空气动力，忽略地效翼和支架之间的相互干扰，通过总空气动力减去支架的空气动力来得到地效翼的空气动力。因此，地效翼和支架之间的干扰直接决定了试验数据的可靠性和试验研究误差。

假定流场中没有干扰时的空气动力为F0，由于干扰而产生的附加干扰力为F'，因此存在干扰时的空气动力F1表示为：

其中，F 为升力L 或阻力D。流场中地效翼和支架同时存在时支架与地效翼受到的空气动力合力记为FWT，流场中仅有支架时支架受到的空气动力记为F0WTF，流场中仅有地效翼时地效翼受到的空气动力记为F0WTW，根据公式(1) 有：

则有：

因此，地效翼在地面效应下受到的空气动力表示为：

表1 ～4 分别为数值计算得出的不同迎角下地效翼和支架的空气动力，并且根据公式(2) 得出了各迎角下由于干扰产生的附加干扰力。从表中数值可以看出，随着地效翼迎角的增大，地效翼和支架之间的相互干扰增强。

表1 支架空气动力升力Table 1 Lift for support

表2 支架空气动力阻力Table 2 Drag for support

表3 地效翼空气动力升力Table 3 Lift for wing

表4 地效翼空气动力阻力Table 4 Drag for wing

如果忽略地效翼与支架之间相互干扰带来的相对误差可以表示为F'/F0，具体数据由表1 ～4 计算得出，如表5 所示。地效翼的升力较大，因此流动干扰对升力影响很小； 地效翼的阻力相对较小，流动干扰对阻力的测量影响较大。因此，忽略干扰对阻力特性分析有一定的影响。

表5 风洞试验中干扰对空气动力的影响Table 5 Interference effect to aerodynamics in wind tunnel test

2.2 流场干扰分析

风洞试验中的流动干扰问题主要体现在由于干扰的存在影响了绕机翼流动的准确测量。因此，仅分析风洞试验中的流动干扰对绕地效翼流动的影响，以此评价风洞试验中流场测量的准确性和风洞试验的可靠性。图3 和图4 为迎角α=10°时不同站位下总压分布的对比。站位参考点为地效翼后缘，x 轴正向指向流向。其中，WT-base 表示流场中仅有地效翼或仅有支架情况下的空气动力； WT 表示流场中地效翼和支架同时存在时的空气动力。

翼尖涡由翼尖前缘附近开始沿流向发展，逐渐增强。但在翼尖附近，翼尖涡基本位于距离翼尖0.5c的范围内。对比图3 和图4 可以看出，翼尖涡在发展过程中的位置基本上未受到支架的影响。

图3 总压分布，WTFig.3 Total pressure distribution

图4 总压分布，WT-baseFig.4 Total pressure distribution，WT-base

图5 和图6 为α = 10°时不同站位下流向速度Vx分布对比。对比图5 和图6 可以发现，由于支架的存在，流动受到阻塞，流场中支架附近出现了低速区，支架附近及连杆附近的流动较为复杂，但影响范围不大。支架的位置距离翼尖0.5c，通过上述分析可以发现在这一安装距离下，支架对流场的干扰仅限于支架附近，不会对地效翼绕流研究带来很大影响。

图5 Vx 速度分布，WTFig.5 Vx distribution，WT

图6 Vx 速度分布，WT-baseFig.6 Vx distribution，WT-base

同时，从图3 ～6 中可以看出，大概在z =0.6 处，地面出现明显的边界层，这是由于此处已经超出了移动带的范围，为固定壁面，由于边界层的存在，对机翼及支架之间的气流流动产生了一定影响，使得支架附近气流速度降低，对机翼产生了一定壁面效应，影响了绕地效翼的气流流动。

3 结 论

针对在上海地面交通工具风洞中心进行的地效翼风洞试验，通过数值模拟的方法分析了支架与地效翼支架的流动干扰对空气动力和流场的影响。研究可得主要结论如下：

(1) 支架与地效翼之间的相互干扰随着地效翼迎角的增大而增强；

(2) 如果忽略流动干扰造成的空气动力变化，地效翼升力误差很小，完全可以忽略； 阻力误差相对较大，需要进行修正；

(3) 翼尖涡在地效翼翼尖附近的发展在0.5c 范围内，基本不受支架的干扰； 支架对靠近地效翼区域内的流动的影响很小；

(4) 除支架对流场产生干扰外，移动带区域以外的固定地面附近粘性流动也对绕地效翼流动有一定的影响。

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