壓垮音速下柵格翼氣動(dòng)特性研究

中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 席園 秦可偉 姚光生

壓垮音速下柵格翼氣動(dòng)特性研究

中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 席園 秦可偉 姚光生

柵格翼阻力大是阻礙它廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要缺點(diǎn)，因此如何減小柵格翼的阻力顯得十分重要。本文針對(duì)柵格翼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)兩種柵格翼類型分別采用了前掠與后掠的方式進(jìn)行模擬計(jì)算研究，結(jié)果表明前后掠方式在兩種柵格翼類型中均能起到很好的減阻效果。

柵格翼；減阻；前后掠；數(shù)值模擬

引言

柵格翼是由眾多薄的柵格壁鑲嵌在邊框內(nèi)組成，由于它特殊的氣動(dòng)外形，使之相對(duì)于傳統(tǒng)的平板翼來(lái)說(shuō)有著許多優(yōu)點(diǎn)，如：升力特性好、在很寬的Ma數(shù)范圍內(nèi)壓力中心移動(dòng)量很小、鉸鏈力矩也很小、易折疊、打開(kāi)與操控等許多優(yōu)點(diǎn)[1]。常見(jiàn)的柵格翼有框架式和正置式兩種，現(xiàn)在柵格翼比較成功的應(yīng)用在航天飛行器（宇宙飛船救生逃逸艙）和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈（俄羅斯R-77空導(dǎo)彈）上，主要作為穩(wěn)定面或控制面。

但是柵格翼在導(dǎo)彈上應(yīng)用最大的阻礙它的問(wèn)題就是阻力大，因此減阻提升也是柵格翼的主要研究方向。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于柵格翼研究的減租方法主要是通過(guò)改變柵格數(shù)、柵格壁厚度以及通過(guò)改變柵格翼氣動(dòng)外形，如不同的前后掠方式，也能起到有效的減租效果[2-6]。

本文通過(guò)改變正置式柵格翼與斜置蜂窩式柵格翼的氣動(dòng)外形，采取前后掠的方式，對(duì)柵格翼的減阻氣動(dòng)特性進(jìn)行研究分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 柵格翼的幾何結(jié)構(gòu)與參數(shù)

圖1 斜置蜂窩式柵格翼三種模型

圖2 正置式柵格翼三種模型

圖1、圖2給出了六種模型的幾何參數(shù)，其中圖1所示為斜置蜂窩式柵格翼的三種模型，從左到右依次為普通式、前掠式和后掠式；圖2所示為正置式柵格翼的三種模型，從左到右依次為普通式、前掠式和后掠式，采取前后掠角度為40°

1.2 網(wǎng)格的劃分及計(jì)算條件

為了保證一定計(jì)算精度與速度，采取結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并且將流域劃分成由密至疏的三部分，網(wǎng)格數(shù)約為140萬(wàn)左右，如圖3、4所示：

圖3 柵格翼流域網(wǎng)格圖

圖4 后掠式柵格翼剖視圖

計(jì)算采用的控制方程為雷諾平均的N-S方程，使用S-A湍流模型，密度基求解器，采用二階迎風(fēng)方式來(lái)提高計(jì)算精度。

計(jì)算條件為：來(lái)流馬赫數(shù) Ma=0.6，0.8，1.0，1.2，攻角=4°，舵偏角=0°，溫度T=300K,參考?jí)毫=0，來(lái)流絕對(duì)壓力p=101325Pa，邊界條件為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。

2 結(jié)果與分析

圖5、6中PT表示普通柵格翼，HL表示后掠式柵格翼，QL表示前掠式柵格翼。

圖5 蜂窩式柵格翼阻力變化圖

由圖中六種模型可以看出，帶有前后掠角的柵格翼要比普通柵格翼的減阻效果明顯，并且所有模型均在馬赫數(shù)為1的時(shí)候阻力有明顯的升高，這一點(diǎn)十分符合空氣動(dòng)力學(xué)特征，主要是因?yàn)榧げǖ漠a(chǎn)生，使柵格翼所受到的阻力明顯的增大，并且阻力主要為波阻。而在亞音速下，可以明顯看到前掠式的氣動(dòng)特性更好，這與前掠翼的氣動(dòng)特性相符合。由圖7-12所示的馬赫云圖可以明顯的看到，前后掠式柵格翼相對(duì)于普通柵格翼有著十分突出的氣動(dòng)特點(diǎn)，我們可以看到前后掠式的高馬赫區(qū)域明顯要小于普通柵格翼。這說(shuō)明前后掠方式能很好地推遲激波的產(chǎn)生，并且能夠在激波產(chǎn)生時(shí)，更有效地將正激波轉(zhuǎn)化為阻力更小的斜激波，從而起到很好的減阻效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)六種模型的建模，計(jì)算得出：

3.1 帶有前后掠方式的兩種類型柵格翼均可以起到很好的減阻效果。

3.2 在亞音速下，前掠式柵格翼的減阻效果更好，但是當(dāng)達(dá)到超音速時(shí)，后掠式減阻效果更佳。

3.3 前掠式柵格翼在翼尖處的應(yīng)力較為集中，因此對(duì)材料的要求要比后掠式更高。

[1]黎汗華，石玉紅.柵格翼國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2008(06):27-30

[2]James DeSpirito. Milton E. Vaughn Jr. Subsonic Flow CFD Investigation Of Canardcontrolled Missile With Planar And Grid Fins[R]. AIAA-27-500.2003

[3]Daniel A. Pruzan. Michael R. Mendenhall Grid Fin Stabilization of the Orion Launch Abort Vehicle [C]. 29th AIAA Applied Aerodynamics Conference AIAA-3018.2011

[4]鄧帆.柵格翼氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)及其翼身組合體滾轉(zhuǎn)特性的研究[D].南京理工大學(xué),2011

[5]姚君.柵格翼減阻特性的數(shù)值模擬研究[D].2013

[6]鄧帆,陳少松,余勇剛.亞跨音速柵格的升阻特性數(shù)值研究[J].彈道學(xué)報(bào),2009（04）