上翼面扰流板偏转对冲压翼伞流场结构的影响

邵 博，张 强

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

上翼面扰流装置是一类新型的冲压翼伞纵向和横向操纵装置，目前国外冲压翼伞上翼面扰流装置主要有两种形式。第一种是在翼伞部分气室的上翼面伞衣上沿展向开缝，通过操纵绳下拉缝前面的伞衣使开缝处产生气流出口，气室内气流冲出对上翼面形成扰动[1]；第二种扰流装置通过形状记忆合金来改变翼伞上翼面气流出口处的织物补丁的弯曲程度，从而实现翼伞上翼面气流出口的开闭[2]。两种扰流装置均通过控制气室内部的气体从上翼面流出来实现翼伞操纵但结构又有所差异，为区分上述两种扰流装置，本文称前者为扰流缝，后者为扰流板。文献[3]对带扰流缝的翼伞进行了二维流场仿真研究，指出相比干净翼型，扰流缝的存在会使计算过程在一开始存在大幅度震荡且收敛时间较长；文献[4]通过二维流场仿真研究了扰流缝的开缝方向和弦向位置对翼伞气动性能的影响，指出计算此类带空腔的流动时需要精细的网格生成；文献[5]首次对带扰流缝的翼伞进行了三维流场数值模拟，结果表明和后缘下偏相比，扰流缝是更有效的纵向操纵方式；文献[6]对使用上翼面扰流缝的翼伞进行了一系列自主空投试验，结果表明扰流缝是一种可有效改变滑翔比和控制翼伞横向运动的装置，从而大幅提高了自主空投的着陆精度；文献[7]总结了国外团队开展的扰流缝研究工作所取得的进展。文献[2]通过空投试验研究了第二种扰流装置——扰流板在翼伞操纵上的应用，结果表明扰流板同样可对翼伞进行良好的纵向横向控制。国内对冲压翼伞上翼面扰流装置的研究目前还处于起步阶段[7]。

可以看出，国外通过大量的流场仿真和空投试验，研究了扰流缝的弦向位置，开缝方向和下拉距离等结构参数对翼伞气动性能的影响，但未见针对第二种相似的扰流装置——扰流板的流场仿真研究。此外，目前仅有扰流缝下拉距离对翼伞气动特性影响的试验研究，而未见相应的仿真研究，这可能是由于不同的扰流缝下拉距离会造成翼伞上翼面气流出口尺寸、下拉伞衣尺寸以及下拉伞衣形状产生较大变化，而上述变化的精确确定需要复杂的流固耦合计算或在试验中测量。与扰流缝相比，扰流板工作在不同下偏量时，翼伞上翼面气流出口尺寸和扰流板（织物补丁）尺寸保持不变，扰流板刚性更强故其形状受气流影响较小，因此可以事先确定不同下偏量时的扰流板形状而忽略其因气流作用产生的结构变形，从而为流场仿真前的建模带来方便。综上，基于已有研究成果，本文首先建立了带上翼面扰流板的冲压翼伞剖面模型，通过改变扰流板下偏角度，得到四种翼伞气室剖面并对其进行二维定常流场仿真来研究扰流板下偏量对翼伞流场结构的影响。

1 计算模型与数值方法

1.1 模型建立和网格生成

选取Clark-Y翼型为翼伞剖面的基础翼型并在前缘切口，如图1所示，切口长度l为5%干净翼型弦长，前缘切口角度为45°。上翼面扰流板下偏时的翼伞气室剖面如图2所示，扰流板长度b=0.03c（c为翼型弦长），其折点距干净翼型前缘（图中坐标轴原点）的水平距离为0.25c，上翼面气流出口长度a=0.01c。扰流板下偏角度e定义为扰流板与翼弦的夹角，分别取未下偏、下偏15°、下偏30°和下偏45°四种翼伞气室剖面。

图1 冲压翼伞基础剖面（扰流板未下偏）示意图

图2 冲压翼伞上翼面扰流板下偏示意图

采用相同的分块方式和节点分布对上述4种翼伞气室剖面和Clark-Y翼型生成二维结构网格，全流场网格如图3所示。

图3 全流场网格

1.2 计算条件和数值方法

对上述4种翼伞剖面模型和Clark-Y翼型进行不同攻角下的定常流场计算，攻角范围取0°~20°，间隔为2.5°。流场右侧边界的边界条件为压力出口，其余流场边界设为速度入口，如图3所示，速度入口的边界条件见表1。

表1 速度入口边界条件

流动满足的空气动力学基本控制方程为：

其中，φ为通用求解变量，u为速度矢量，Γ为广义扩散系数。

求解控制方程的数值方法为SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法。变量梯度使用基于单元体的最小二乘法（least squares cell based）计算，其余空间离散使用二阶迎风格式，虽然该离散格式会使收敛变慢，但在离散过程中截断误差较小因而有较高的计算精度，可获得更准确的结果。

1.3 网格无关性验证

文献[4]指出进行上翼面扰流数值计算时需要精细的网格生成，因此有必要对扰流板下偏模型的网格进行网格无关性验证。以扰流板下偏45°模型为例，对原网格进行局部加密，将网格量由24万增至36万，并对上述2种网格在4个迎角下的仿真计算结果进行对比，结果见表2。

表2 扰流板下偏45°模型的2种网格计算结果对比

可以看出，不同迎角下网格加密后气动力系数有增有减而未呈现单调变化的趋势，总的来说网格加密对气动力系数的计算结果影响不大，误差不超过1.3%，说明该量级的网格量可得出较小容差下的与网格无关的解。因加密后的网格可更好地捕捉流场特征，计算扰流板下偏模型时的网格量均取36万。

2 流场结构分析

扰流板未下偏时翼伞剖面的压力系数云图和流线图随迎角的变化情况如图4所示。可以看出，来流流至前缘切口附近时分成2股流向上下翼面，气室内部几乎无流动。0°和2.5°迎角时，流动均为下翼面前缘分离再附着（前缘分离泡），上翼面贴体，但2.5°时下翼面前缘分离泡更小，此时阻力系数达到最小值，如图5所示。5°迎角时上下翼面前缘均出现分离泡，此时阻力开始增大。在10°迎角时开始出现上翼面后缘分离，此时升力系数达到最大值，如图6所示。迎角进一步增大时，流动分离点向前缘移动，17.5°迎角时，上翼面完全流动分离。

图4 扰流板未下偏时流场压力云图和流线图

图6 升力系数曲线

扰流板下偏时的流场压力云图和流线图如图7所示。图8展示了部分工况下上翼面气流出口处的气体流出方向。扰流板下偏最显著的影响是破坏了上翼面的光滑流动，使同样迎角下的流动分离提前或更加剧烈，导致了升力减小，阻力增加的总体趋势；扰流板下偏15°时，上翼面分离大涡的左边界在相对较小迎角（15°迎角）时就前移至气流出口左侧，使上翼面流动分离区域进一步变大，如图8(b)所示，而下偏45°时，上翼面分离大涡的左边界始终未能前移至气流出口左侧，上翼面流动分离区域未能进一步增大，如图7和图8(c)所示。上述流场特征可合理解释大迎角下扰流板下偏剖面的阻力系数变化规律：图5中，17.5°迎角时扰流板下偏和未下偏剖面的阻力系数差别不大，均在0.24附近，由相关流线图可知这是由于该迎角下各剖面具有相近的上翼面流动分离区域；20°迎角时，扰流板下偏反而使翼伞剖面的阻力系数减小，由图7可以看出，20°迎角时，扰流板下偏45°的上翼面流动分离区域反而被限制在上翼面气流出口的右侧，较小的流动分离区域使阻力系数变小。

图5 阻力系数曲线

图7 扰流板下偏时流场压力云图和流线图

图8 上翼面气流出口处的气体流出方向

3 结论

前缘分离气泡在小迎角时对扰流板未下偏剖面的阻力系数影响较大；扰流板下偏最显著的影响是破坏了上翼面的光滑流动，使同样迎角下的流动分离提前或更加剧烈，导致了升力减小，阻力增加的总体趋势；上翼面扰流板小角度下偏时，上翼面分离大涡的左边界在相对较小迎角时就前移至气流出口左侧，使上翼面流动分离区域进一步变大，而扰流板下偏角度增大时，上翼面分离大涡的左边界始终未能前移至气流出口左侧，上翼面流动分离区域未能进一步增大，上述流场特征可合理解释大迎角下扰流板下偏剖面的阻力系数变化规律。