地效翼艇三維組合翼氣動特性計算分析

葉新苗 劉 毅 錢智聲

1南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京210016 2同濟大學 航空航天與力學學院，上海200092

地效翼艇三維組合翼氣動特性計算分析

葉新苗1劉 毅2錢智聲2

1南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京210016 2同濟大學 航空航天與力學學院，上海200092

地效翼布局和翼型選擇在很大程度上決定地效翼艇的性能和效能，對地效翼艇的設計至關(guān)重要。文章根據(jù)地效翼布局和翼型的特點，采用基于升力面理論的鏡像法計算三維組合地效翼和簡單地效翼在地效區(qū)和超出地效區(qū)的縱向氣動特性參數(shù)，分析布局型式和外形參數(shù)對地效翼氣動特性的影響。得到的組合翼在地效區(qū)內(nèi)外比簡單地效翼具有更好的升阻特性的結(jié)果，表明組合翼布局適合于掠海高飛型地效翼艇，研究也為地效翼布局型式、外形參數(shù)選擇以及吹風模型制作提供了依據(jù)。

組合翼；氣動特性；升力面理論；鏡像法；地效翼艇

1 引言

地效翼艇是一種利用地面效應在貼近水面的地效區(qū)內(nèi)快速航行的高性能船舶，能夠在水面上安全起降，航行速度比普通船舶快十幾倍，既具有水上運輸?shù)统杀?、大運載量、安全可靠的優(yōu)點，又具有空運的速度，用途十分廣泛。具有掠海高飛能力的C類地效翼艇為兼顧地效區(qū)和非地效區(qū)的氣動和操穩(wěn)特性，氣動布局上常采用主翼、端板加輔助翼的組合翼布局型式，保證其既能在地效區(qū)內(nèi)高效穩(wěn)定航行，又能在地效區(qū)外長時間飛行，大大提高了其環(huán)境適應能力和應用范圍［1］。近年來世界各國掀起了一場發(fā)展地效翼艇的熱潮，目前公布的型號大多數(shù)具有掠海高飛的能力，典型代表如美國波音公司發(fā)展的 “鵜鶘”超大型地效飛行器，最大起飛重量約2 700 t，有效載荷達1 270 t，地效區(qū)飛行高度為6 m左右，最大飛高可達6 000 m。

由于地效翼艇設計理論尚不完善，地效翼艇的設計基本借鑒飛機和船舶設計的理論和方法。飛機概念設計過程中通常采用大量的經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式，以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)來估算機翼的外形參數(shù)和氣動參數(shù)，然后通過風洞試驗進行驗證和優(yōu)化。由于地效翼艇在地效區(qū)內(nèi)氣動特性隨高度和攻角呈非線性劇烈變化，周圍流場復雜，目前尚無足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式用于估算地效翼外形參數(shù)、氣動和性能參數(shù)，很難初步選定其外形參數(shù)用于制作吹風模型；又加上同時考慮攻角和高度變化對氣動特性的影響，風洞試驗測量點較多，所需吹風時間長，成本很高，因此按設計要求初步給出地效翼外形參數(shù)及比較合理的吹風模型顯得十分重要，可以大幅度減小吹風時間。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計算在地效翼外形參數(shù)選擇和氣動特性分析中發(fā)揮著越來越重要的作用，主要的氣動計算方法有基于升力面理論的鏡像法、求解N－S方程的有限體積法、基于勢流的BEM、基于基本解疊加的面元法等，這些方法各有特點和適用范圍，能夠快速預報地效翼的氣動特性［2，3］。本文采用基于升力面理論的鏡像法計算三維組合地效翼和簡單地效翼在地效區(qū)和超出地效區(qū)的縱向氣動特性參數(shù)，能夠根據(jù)氣動要求對地效翼外形參數(shù)進行初步驗證，為外形參數(shù)優(yōu)化以及制作較為精確的吹風模型提供一定的依據(jù)，以減少風洞試驗時間，縮短研制周期，降低研制成本。

2 地效翼型式和翼型

2.1 地效翼型式

在總體設計階段，首先需要根據(jù)總體技術(shù)指標和設計要求初步選擇地效翼艇布局型式。與普通飛機相比，地效翼艇一般選擇大安裝角小展弦比地效翼，多采用T型尾翼，發(fā)動機置于船身背部，船型艇身無起落架布局。地效翼布局型式主要有兩大類：簡單型和組合型。簡單型大體上又分為兩種，第一種是寬矩形翼兩側(cè)加端板的布局，端板與下翼面、水面之間形成高壓腔，阻止翼下高壓氣體在翼尖處流向上翼面，使升阻比增加，采用下反翼也有相同效果，大攻角貼表面飛行時地效作用明顯，如俄羅斯的“里海怪物”、“雌鷂”和“小鷹”號等都是這種布局；另一種是前緣平直、后緣前掠的小展弦比倒三角翼布局，同時有較大的下反角和幾何扭轉(zhuǎn)，在下翼面和水面之間形成高壓腔，地效作用明顯，且壓心位置靠前，有利于縱向穩(wěn)定，如德國FS－8、我國的“信天翁”系列等［4］。組合型地效翼一般采用小展弦比矩形翼加端板，端板兼作浮舟，外側(cè)再加一對展弦比稍大、具有一定上反角的梯形輔助翼，有的還在輔助翼端部加翼尖小翼；在地效區(qū)飛行時，主要由主翼和端板的組合在較強的地效作用下產(chǎn)生升力，輔助翼也產(chǎn)生小部分升力，同時改善地效翼氣流繞流特性和氣動品質(zhì)，起到橫側(cè)穩(wěn)定性作用，當超出地效區(qū)時，小展弦比主翼產(chǎn)生的升力迅速下降，無法滿足長時間高飛的需求，這時輔助翼對總升力的貢獻變大，保證地效飛行器能長時間高飛。組合翼布局兼顧了地效航行和高飛的需要，在地效區(qū)航行時能產(chǎn)生較強的地效作用，長時間高飛時性能也很好［5］。

2.2 地效翼型

地效翼的翼型選擇和研究應注重以下幾個因素：

1）地面效應強；

2）壓心和焦點隨相對飛高變化的移動量??；

3）與水動力配合協(xié)調(diào)性好；

4）考慮動力增升的需要。

由于地效翼氣動特性隨相對飛行高度呈非線性變化，飛高越小，非線性越明顯，所以一般采用獨特的反S形翼型，其上翼面能產(chǎn)生較強的負壓，下翼面能產(chǎn)生較強的正壓，中線為反S形，后緣附近區(qū)域升力向下，產(chǎn)生抬頭力矩。與飛機上大量使用的NACA翼型相比，該翼型壓力中心較靠近前緣，且壓心位置Xcp和焦點位置Xac隨飛高變化較小，分別在地效區(qū)航行和高飛時，全艇的俯仰力矩變化不會太大，有利于縱向穩(wěn)定［5］。

3 氣動計算模型

本文采用基于升力面理論的鏡像法計算地效翼的氣動特性，圖1所示為典型地效翼艇的組合翼和艇身中段的布局型式，飛行高度為主翼后緣最低處距離水面的高度，相對飛高為飛行高度與主翼弦長的比值。

建立右半地效翼幾何模型，采用非平面渦格法，分別在主翼、輔助翼的中弧面上進行網(wǎng)格劃分，弦向采用等角法劃分，展向采用等間隔法劃分［6，7］；將端板簡化為一平面，網(wǎng)格劃分與主翼中弧面合拍，端板超出主翼前緣部分長度為LB，采用等間隔法劃分網(wǎng)格。主翼沿展向劃分為SN列，沿弦向劃分為CN行，共有NN＝SN×CN個網(wǎng)格，端板共有NB＝SB×CB個網(wǎng)格，輔助翼共有NW＝SW×CW個網(wǎng)格，故右半翼共有N＝NN＋NB＋NW個網(wǎng)格。右半翼通過縱向?qū)ΨQ面鏡像出左半翼，地面效應通過左、右地效翼對地面的鏡像來模擬。如圖2所示。

圖1 典型組合翼和艇身布局型式

圖2 組合翼網(wǎng)格劃分和機翼鏡像

在每個四邊形網(wǎng)格上布置一個四邊形常值渦環(huán)，其前緣布置在網(wǎng)格1／4弦長處，相鄰渦環(huán)的邊緣重合在一起，控制點取在網(wǎng)格3／4弦長處的中點上，在尾跡上也布置常值渦環(huán)，則共有N′＝N＋SN＋SB＋SW個渦環(huán)。建立氣流坐標系，OX軸指向氣流方向，OZ軸位于縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，垂直于OX軸；OY軸垂直于OXZ平面，指向右，XOY平面與水面重合。理想不可壓勢流場中，各點都滿足Laplace方程：

式中，Φ＝φ∞＋φ；φ∞為來流速度勢，φ為誘導速度勢［6，7］。右半翼上第j個渦環(huán)對第i個網(wǎng)格控制點的誘導速度為：

Qj表示第j個渦環(huán)四個角點的坐標，第i個網(wǎng)格控制點受到右半翼的誘導速度為：

通過縱向?qū)ΨQ面對網(wǎng)格的鏡像，得到左半翼第j個渦環(huán)對右半翼第i個網(wǎng)格控制點的誘導速度：

則左半翼對右半翼第i點的誘導速度：

有地效作用時，通過地面對網(wǎng)格的鏡像，得鏡像翼對右半翼第i個控制點的誘導速度［7，8］：

則第i點的總誘導速度為：

在物面上滿足不可穿透條件：▽2Φ·＝0，即（ui，，得N個方程；在后緣處滿足庫塔條件γT.E.＝0，得SN＋SB＋SW個方程；則方程組封閉可解，得Γi，i＝1，2，…，N。分別計算主翼和輔助翼每一網(wǎng)格的升力、誘導阻力和力矩，m為網(wǎng)格弦向序號，n為網(wǎng)格展向序號。根據(jù)Kutta定理得：

則主翼的升力、誘導阻力和力矩是：

同理可計算出輔助翼的升力LW、誘導阻力DW和力矩MW等。則組合翼的升力、誘導阻力和力矩分別是：

攻角焦點和高度焦點位置分別是：

攻角焦點和高度焦點的位置和變化范圍是影響全艇穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

編寫程序計算采用Glenn Martine 21翼型、展弦比為1.0的地效翼，相對飛高為0.176時的升力系數(shù)，與文獻［9］中的試驗數(shù)據(jù)相比較，如圖3中的曲線所示。結(jié)果比較接近，該程序可用于地效翼艇總體設計階段的縱向氣動特性估算。

圖3 升力系數(shù)比較

4 算例

采用該方法計算組合翼和簡單地效翼的氣動特性參數(shù)，右半翼平面圖如圖4所示。主翼、輔助翼均采用相對厚度為9%、最大彎度為4%的反S翼型；主翼弦長CN＝2.0 m，半翼展長BN＝1.5 m，無下反；端板高度hB＝0.16 m，伸出主翼前緣長度LB＝0.4 m；輔助翼根弦長CW1＝1.2 m，翼稍弦長CW2＝0.6 m，半翼展長BW＝1.8 m，前緣后掠9.46°，無上反；輔助翼翼根前緣和主翼翼尖前緣之間的距離L1分別為0.0 m和0.4 m。

圖4 組合翼右半機翼平面形狀

計算結(jié)果如圖5（a）～（i）所示，表明主翼加端板后增加了有效展弦比，比單獨主翼有明顯增加，誘導阻力系數(shù)減小，同時高度焦點和攻角焦點前移，飛高越低、攻角越大時，變化的幅度越大。在端板外側(cè)加輔助翼后，CL，C增大，尤其是大飛高時增加明顯，誘導阻力系數(shù)變化不大，表明采用組合翼布局的地效翼艇具有良好的掠海高飛能力；同時高度焦點和攻角焦點位置有顯著變化，這與輔助翼的前后位置有關(guān)，輔助翼越靠后，越大，焦點越向后移動。

圖5 各種布局型式的縱向氣動特性

5 結(jié)論

本文采用基于升力面理論的鏡像法計算簡單地效翼和組合地效翼的縱向氣動特性，結(jié)果表明：與單獨主翼的地效翼型式相比，主翼加端板的布局型式具有更好的升阻特性，而且飛高焦點和攻角焦點位置更靠前，對縱向穩(wěn)定性更有利。與前二者相比，采用組合翼型式的地效翼艇在地效區(qū)和地效區(qū)外都具有前二者不及的升阻特性，掠海高飛性能突出，但其飛高焦點和攻角焦點位置會隨輔助翼相對主翼的前后位置發(fā)生顯著變化，輔助翼位置越靠前，組合翼的焦點位置越靠前，反之則組合翼焦點位置越靠后，因此，輔助翼的前后位置對縱向穩(wěn)定性有很大的影響。由于氣動特性在地效區(qū)內(nèi)變化劇烈，風洞試驗繁瑣復雜，成本很高，在缺乏統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式的情況下選擇組合翼外形參數(shù)十分困難，因此在總體設計階段，采用基于升力面理論的鏡像法，能夠在一定程度上快速預報地效翼在地效區(qū)和地效區(qū)外的縱向氣動特性。在此基礎上，根據(jù)設計要求對地效翼外形參數(shù)進行修正和優(yōu)化，為地效翼艇總體設計階段選擇地效翼布局型式、優(yōu)化外形參數(shù)、位置參數(shù)以及制作吹風模型提供一定的依據(jù)。

［1］GADALOV V V，GAPPOEV M A，KUTEYNIKOV M A.Wing－In－Ground（WIG）craft（Ekranoplan）.Practical Aspects of the Classification and Survey According to RS instruments［C］.Ninth International Conference on Fast Sea Transportation.Shanghai：CSSRC，2007：76－79.

［2］杜莉，楊向暉，葉恒奎，等.二維地效翼氣動性能計算研究［J］.中國艦船研究，2008，3（4）：50－53.

［3］張亮，陳蔭蔭，吳德銘，等.二維地效翼氣動力的計算和性能研究［J］.船舶力學，2000，4（2）：1－5.

［4］葉永林.地效翼船總體性能設計技術(shù) ［J］.船舶力學，2002，6（5）：95－103.

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Computational Analysis on the Aerodynamic Characteristics of Combined Wing of WIG Craft

Ye Xin－miao1Liu Yi2Qian Zhi－sheng2
1 College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China 2 College of Aerospace Engineering and Mechanics，Tongji University，Shanghai 200092，China

The layout and airfoil play an important role in WIG craft design for their great effect on the performance and effectiveness.Taking into account of the characteristics of the airfoils and configuration layouts of the wings of WIG craft，the longitudinal aerodynamic characteristics in and out of ground effect of combined and simple wings were calculated based on the lifting－surface solution and the ground effect was simulated with a mirror image wing，and the effect of the layout and geometric parameters on the longitudinal aerodynamic characteristics of wings of WIG craft was analyzed.The results show that the lift and drag characteristics of combined wings are better than simple wings both in and out of ground effect，and that the combined wings are fit for sea－skimming and high－flying WIG craft.The study also provides the basis for the selection of layout and geometric parameters of wings and the wind tunnel models for WIG craft.

combined wing；aerodynamic characteristics；lifting－surface solution；mirror image wing；WIG craft

U674.77

A

1673－3185（2009）04－22－06

2009-03-19

葉新苗（1983－），男，碩士研究生。研究方向：飛行器總體設計。E-mail：yxm831113＠yahoo.com.cn

劉 毅（1965－），男，教授，博士生導師。研究方向：飛行器一體化設計、材料與結(jié)構(gòu)設計、可靠性工程。E-mail：liuyi.chine＠126.com

錢智聲（1936－），男，教授。研究方向：飛行器總體設計，地效翼艇總體設計。E-mail：qianzs＠263.net