尾吊发动机短舱安装对机翼高速升阻特性的影响研究

胡志东，肖毅，马经忠，胡 杨

(中航工业洪都，江西 南昌330024)

0 引 言

发动机短舱是亚音速运输机的重要部件之一[1]。学术界对短舱的研究已经有数十年的历史了， 由于大型客机和运输机研制的需要， 翼吊式发动机短舱一直是研究的热点问题， 但近年来随着中小型公务机市场的蓬勃发展， 尾吊式发动机短舱逐渐引起了人们的重视。2006年，中航商飞公司的朱杰对超临界机翼-尾吊短舱布局的高速气动特性进行了研究，利用商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件Fluent 对模型进行了数值计算，着重考察了有无短舱对机翼升阻比的影响，其计算结果表明，采用近距尾吊短舱的飞机，机翼在短舱的影响下，升力和阻力都有所降低， 阻力降低更加明显， 升阻比将有所提高[2]。2013年， 西北工业大学的左英桃等对机翼-机身-短舱-挂架的外形气动优化设计方法进行了研究，采用径向基函数的无限插值方法进行了复杂外形的动网格生成， 利用离散共轭方法计算目标函数梯度，对DLR-F6 机型进行了优化设计，使得全机阻力降低了0.00153[3]。

1 基本概念

根据某型飞机的设计条件及某型发动机的基本性能和外形参数， 可以计算确定短舱的主要几何参数， 包括进气道的喉道面积和进口面积、 扩散段长度、短舱外罩的最大截面面积、前段长度、后段长度、喷口直径等[4]。 为了全面评估短舱安装对机翼高速升阻特性的影响， 本文利用CFD 软件Fluent 对有无短舱、短舱安装位置不同的全机模型进行了数值模拟，着重考察了机翼升力系数、 阻力系数和升阻比的变化情况。

升力系数定义如下：

阻力系数定义如下：

升阻比的定义如下：

2 计算模型及网格

基于某型发动机设计的初步短舱气动方案在CATIA 中建立三维数模。 为保证进气道在机翼下洗场中， 唇口基本对准来流方向以提高巡航时的进气效率，给予短舱在俯仰方向2°的抬头安装角；为了减小偏航力矩，减小底部阻力，降低单发停车状态下方向舵的操作力和减少机身尾部的死流区， 给予短舱偏航方向2°的外偏安装角。 图1 所示为短舱安装位置示意，本文只对短舱X 方向安装位置进行改变，不同安装位置以短舱进口中心距机翼后缘的距离来定义，具体指标如表1 所示，表中对安装位置进行了无量纲化处理，Case.1 为基准数据。

本文的计算模型(半模)首先在Gambit 中划分非结构化的三角形表面网格，然后在Tgrid 中划分四面体空间网格，对飞机壁面进行局部加密处理，计算模型的总网格数在550 万左右，全机对称面网格如图2所示。

图1 短舱安装示意

表1 不同短舱的几何参数

图2 全机对称面网格示意

3 计算方法概述

本文的数值模拟在商用CFD 软件Fluent 中进行。 将流场边界设置为压力远场条件；采用有限体积法求解Navier-Stokes 方程； 使用二阶迎风格式对时间和空间项进行离散； 采用可实现的k-ε(realizable k-ε)湍流模型对流动进行计算，该模型将湍动粘度与应变率联系起来， 使得流动更加符合湍流的物理定律，适合于对射流、边界层流动、有分离流动等进行计算[5]。 本文首先对没有安装短舱的翼身组合体进行了计算分析， 然后对短舱安装在不同位置的全机流场进行了数值模拟，计算条件均为11km 高度、0.8 马赫数的高空巡航状态。 流场的控制方程如下式所示：

4 计算结果分析

表2 所示为不同工况的机翼升力系数、 阻力系数及升阻比的计算结果。 从表中可以看出，安装发动机短舱之后，机翼的升、阻力系数均有所降低，阻力系数降低的更加明显，机翼的升阻比将有所提高，这一结果与文献[3]的结论是一致的。 图3 所示为安装位置不同的短舱对机翼高速升阻特性的影响规律，从图中可以看出，在一定范围内，短舱安装位置越靠近机翼，对机翼上表面的流场影响越大，机翼的升、阻力系数越小，但机翼的升阻比越大。

表2 不同工况的计算结果

图3 不同短舱位置对机翼的升阻特性的影响

图4 所示为不同工况全机表面静压分布情况。对比图4(a)、图4(b)和图6 可以发现，安装发动机短舱之后， 机翼上表面特别是靠近机身一侧的静压分布发生了较大改变，由于设计点为M=0.8，速度远大于短舱内的平均气流速度（约M=0.48），安装短舱后，短舱对机翼上表面的气流产生了阻滞作用， 使得机翼上表面激波位置前移， 机翼上表面后缘低压区减小，升力系数及压差阻力系数减小；对比图4(b)、图4(c)和图4(d)可以发现，短舱安装位置越靠近机翼后缘，对机翼上表面的气流阻滞作用越明显，机翼上表面的激波前移距离越大，升阻力系数减小越多。

为进一步说明短舱安装对机翼表面激波的影响， 如图5 所示选取机翼不同站位的压力系数进行分析。

图4 不同工况的全机表面静压云图

图5 机翼不同站位示意

不同站位的压力系数分布如图6 所示， 短舱安装主要对机翼上表面靠近后缘的压力分布产生了较大影响，在靠近机身一侧，随着短舱安装逐渐靠近机翼，机翼后缘的激波逐渐前移，导致机翼升、阻力系数逐渐下降。

压力系数定义如下：

5 结 语

本文通过计算流体动力学软件Fluent 对某型飞机短舱安装对机翼高速升阻特性的影响进行了数值模拟研究。 计算分析结果表明：高速飞行时，安装尾吊式短舱会对机翼上的气流形成阻滞作用， 使得机翼内侧上表面激波前移， 导致机翼升、 阻力系数下降，但机翼升阻比将有所提高；短舱安装位置越靠近机翼，机翼升、阻力系数越小，升阻比越大。

图6 机翼不同站位压力系数分布

[1]《飞机设计手册》总编委.飞机设计手册第5 册民用飞机总体设计[M].北京：航空工业出版社，2005.

[2]朱杰. 超临界机翼—尾吊短舱布局高速气动综合研究[C]. 第二届中国航空学会青年科技论坛文集，北京，2006:285-292.

[3]左英桃，傅林，高正红. 机翼-机身-短舱-挂架外形气动优化设计方法研究[J]. 气体物理，2013，8(1)：7-14.

[4]《飞机设计手册》总编委.飞机设计手册第6 册气动设计[M].北京：航空工业出版社，2002.

[5]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.