基于N-S方程的飛機(jī)風(fēng)擋雨刷氣動力計(jì)算

苗新宇朱永峰胡 泱

(中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,陜西西安 710089)

基于N-S方程的飛機(jī)風(fēng)擋雨刷氣動力計(jì)算

苗新宇*,朱永峰,胡 泱

(中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,陜西西安 710089)

風(fēng)擋雨刷在飛行過程中易出現(xiàn)被氣流吹離復(fù)位位置、飄起現(xiàn)象,阻礙飛行員視野,嚴(yán)重影響飛行安全。選取某型機(jī)風(fēng)擋雨刷作為優(yōu)化對象,采用了結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格的辦法,在機(jī)身壁面附近生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在雨刷機(jī)構(gòu)表面生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,用Interface面將兩部分結(jié)合生成雨刷最終計(jì)算模型。利用Fluent軟件,基于N-S方程和S-A湍流模型,采用時(shí)間平均法對不可壓縮流的參數(shù)進(jìn)行時(shí)均化,計(jì)算了不同飛行狀態(tài)下,風(fēng)擋雨刷在復(fù)位位置以不同角度停放及增加擾流板時(shí)所受氣動力,對風(fēng)擋雨刷的外形及停放角度進(jìn)行優(yōu)化,比較分析了優(yōu)化前后雨刷所受氣動力。仿真計(jì)算結(jié)果表明,雨刷合理的停放角度、在刷臂上加裝擾流板能有效引導(dǎo)風(fēng)擋雨刷迎風(fēng)面氣流的方向,從而減小雨刷迎風(fēng)面所受氣動力。通過試飛驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可靠性及優(yōu)化方案的可行性,為風(fēng)擋雨刷預(yù)緊力的設(shè)置及復(fù)位位置的確定提供依據(jù)。

風(fēng)擋雨刷;N-S方程;飛機(jī);氣動力;優(yōu)化設(shè)計(jì);擾流板;力矩

0 引 言

風(fēng)擋雨刷是廣泛使用的除雨系統(tǒng)之一,主要作用是在降雨條件下,在飛機(jī)滑跑、起飛、進(jìn)場、著陸階段,為飛行員提供清晰的視界,保證飛行安全。風(fēng)擋雨刷利用動力裝置操縱雨刷刷片,在風(fēng)擋玻璃外表面進(jìn)行周期性往復(fù)運(yùn)動,除去風(fēng)擋玻璃上的雨水[1],如圖1所示?！哆\(yùn)輸類飛行適航標(biāo)準(zhǔn)》第773條(CCAR-25. 773)規(guī)定:飛機(jī)必須具有措施使風(fēng)擋玻璃在降水過程中保持有一個(gè)清晰的部分,足以使兩名駕駛員在飛機(jī)各種正常姿態(tài)下沿飛行航跡均有充分寬闊的視界[2]。

傳統(tǒng)飛機(jī)風(fēng)擋玻璃外形結(jié)構(gòu)相對簡單,大部分為平面玻璃,設(shè)計(jì)人員僅關(guān)注風(fēng)擋表面刮刷清潔度、刮刷面積是否滿足適航標(biāo)準(zhǔn)或國軍標(biāo)要求。隨著科技的進(jìn)步,運(yùn)輸類飛機(jī)逐步向長航時(shí)、高航速方向發(fā)展,為了保證整體氣動外形,減小飛行中空氣阻力,飛機(jī)上開始廣泛使用復(fù)雜的多曲率風(fēng)擋玻璃,導(dǎo)致風(fēng)擋雨刷結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。由此,風(fēng)擋雨刷在氣動力作用下的功能是否正常得到了普遍關(guān)注。

目前,國外Zodiac等公司針對風(fēng)擋雨刷的研究應(yīng)用相對成熟,已研制出多款雨刷并投入批量生產(chǎn),且分別使用數(shù)學(xué)方法、仿真軟件和試飛驗(yàn)證對雨刷進(jìn)行了氣動力分析,但在相關(guān)文獻(xiàn)及技術(shù)資料中僅見介紹風(fēng)擋雨刷的功能及維修方法,未見對風(fēng)擋雨刷氣動力的相關(guān)內(nèi)容報(bào)道[3]。國內(nèi)風(fēng)擋雨刷研究工作主要為了解決飛機(jī)型號設(shè)計(jì)和適航需求,與發(fā)達(dá)國家相比,研究存在一定的差距。對風(fēng)擋雨刷的研究應(yīng)用僅停留在產(chǎn)品的引進(jìn)、消化、再吸收層面,并未深入開展雨刷氣動力等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的相關(guān)研究。試驗(yàn)研究領(lǐng)域由于缺乏雨風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施,只能進(jìn)行簡單的常規(guī)淋雨試驗(yàn)。

為了預(yù)防風(fēng)擋雨刷在飛行過程中由于氣動力的影響與風(fēng)擋玻璃分離、飄起,本文對風(fēng)擋雨刷的外形及復(fù)位位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并將優(yōu)化前后風(fēng)擋雨刷所受氣動力進(jìn)行了對比分析,為風(fēng)擋雨刷預(yù)緊力設(shè)置和復(fù)位位置的確定提供依據(jù)。

通過求解N-S方程,結(jié)合S-A湍流模型,采用Fluent軟件完成了風(fēng)擋雨刷以不同角度停止于復(fù)位位置時(shí),在不同飛行狀態(tài)下的氣動力計(jì)算,同時(shí)根據(jù)氣動力計(jì)算結(jié)果,完成風(fēng)擋雨刷復(fù)位位置的優(yōu)化,并通過試飛對優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 計(jì)算過程

1.1 風(fēng)擋雨刷模型

選取某型機(jī)風(fēng)擋雨刷作為優(yōu)化對象,主要采取以下兩種方案:1)改變雨刷停放角度;當(dāng)風(fēng)擋雨刷置于復(fù)位位置時(shí),以風(fēng)擋玻璃下邊框?yàn)榛鶞?zhǔn),分別將刷臂旋轉(zhuǎn)2°、4°、6°;2)增加擾流板;風(fēng)擋雨刷CATIA模型如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前后風(fēng)擋雨刷模型圖Fig.2 CATIA model of windshield wiper before and after optimized

1.2 網(wǎng)格生成

在風(fēng)擋雨刷氣動力計(jì)算中,由于機(jī)翼及尾翼等結(jié)構(gòu)對風(fēng)擋雨刷的流場影響很小,因而在計(jì)算過程中,忽略機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu),只選擇整個(gè)機(jī)身作為計(jì)算區(qū)域,并對機(jī)身進(jìn)行簡化,減少計(jì)算量,提高計(jì)算效率。對計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格,在機(jī)身壁面附近生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,而在遠(yuǎn)離固體表面的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,同時(shí)在機(jī)頭特別是風(fēng)擋表面采用較細(xì)密的網(wǎng)格以保證計(jì)算精度。在生成網(wǎng)格時(shí),僅保留機(jī)頭和風(fēng)擋雨刷系統(tǒng)的主要幾何信息,忽略螺栓、保險(xiǎn)絲及間隙等細(xì)節(jié)信息。整體網(wǎng)格見圖3,機(jī)身模型網(wǎng)格見圖4,風(fēng)擋雨刷網(wǎng)格見圖5。

圖3 整體網(wǎng)格Fig.3 Overall mesh

在網(wǎng)格劃分中,由于機(jī)身的外形結(jié)構(gòu)較規(guī)則,因此網(wǎng)格生成中將風(fēng)擋玻璃及雨刷、機(jī)身部分分別生成網(wǎng)格,然后采用Interface面將兩部分結(jié)合成最終計(jì)算網(wǎng)格,這樣在改變風(fēng)擋雨刷結(jié)構(gòu)及風(fēng)擋雨刷位置時(shí)僅需要重新生成風(fēng)擋雨刷部分的網(wǎng)格,這種劃分方式減少了由于網(wǎng)格不同而帶來的計(jì)算誤差。網(wǎng)格生成中,機(jī)身部分結(jié)構(gòu)規(guī)則,采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;風(fēng)擋雨刷部分存在多處鏤空且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[6-7],并對局部進(jìn)行加密。

圖4 機(jī)身模型網(wǎng)格Fig.4 Fuselage model mesh

圖5 風(fēng)擋雨刷網(wǎng)格Fig.5 Windshield wiper mesh

1.3 控制方程

風(fēng)擋雨刷氣動力計(jì)算使用Fluent軟件、通過求解N-S方程,結(jié)合相應(yīng)的湍流模型,采用時(shí)間平均法對不可壓縮流的參數(shù)進(jìn)行時(shí)均化[8]。N-S方程如下:

連續(xù)方程:

動量方程:

由于是可壓縮流動,因此需要給定密度和熱力學(xué)參數(shù)的關(guān)系。采用理想氣體狀態(tài)方程[9]:

式中,R為通用氣體常數(shù)。

對于整機(jī)氣動特性計(jì)算,由于網(wǎng)格數(shù)量巨大,因此采用S-A模型,湍流粘性系數(shù)如下所示:

式中,υ為分子粘性系數(shù),υ-是計(jì)算湍流粘性系數(shù)的工作變量,S為旋度大小,d為距離物面的距離,且函數(shù):

式中,d為離最近的壁面的距離,各常數(shù)分別為:Cb1=0.1355;Cb2=0.622;Cυ1=7.1;σ=2/3;Cw2=0.3;Cw3=2.0;κ=0.41。

S-A模型建立時(shí)并沒有考慮可壓縮修正,但是只要在輸運(yùn)方程中考慮到密度的變化,S-A模型就可以用來計(jì)算可壓縮流動[12]。

同時(shí)S-A模型可以直接積分到壁面,因此在計(jì)算中對靠近壁區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密,保證第一節(jié)點(diǎn)的y+為0.1～1[13]。

1.4 計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)

選取的計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)如表1所示[14]。

2 計(jì)算結(jié)果

將ICEM-CFD生成的計(jì)算網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件,根據(jù)給定的計(jì)算條件進(jìn)行相應(yīng)的邊界條件定義,采用二階精度計(jì)算格式,對機(jī)身外流場進(jìn)行計(jì)算,就可以獲得風(fēng)擋雨刷的氣動力。由Fluent積分計(jì)算獲得三維坐標(biāo)方向的氣動力矩,將所得坐標(biāo)方向的力矩在風(fēng)擋玻璃表面法線方向進(jìn)行投影[15],可求得風(fēng)擋雨刷在玻璃表面法向力矩,給出轉(zhuǎn)軸中心至刷臂端點(diǎn)的距離,就可以算出刷臂端點(diǎn)的法向力。文中最終給出的是刷臂端點(diǎn)的法向力。

圖6～圖7是優(yōu)化前后風(fēng)擋雨刷在不同飛行條件下,典型狀態(tài)風(fēng)擋雨刷表面壓力分布云圖。

表1 計(jì)算狀態(tài)點(diǎn)Table 1 Calculation conditions

圖6 雨刷以不同角度停放時(shí)所受氣動力Fig.6 Aerodynamic forces of the windshield wiper at the parking position with different angles

表2～表4列出了雨刷在不同飛行高度、機(jī)身攻角及飛行速度所受的氣動力數(shù)值。其中F1表示優(yōu)化前風(fēng)擋雨刷在復(fù)位位置的迎風(fēng)面法向力,F2表示優(yōu)化雨刷停放角度并增加擾流板后,風(fēng)擋雨刷迎風(fēng)面法向力。

圖7 增加擾流板后雨刷所受氣動力Fig.7 Aerodynamic forces of the windshield wiper at the parking position with different shapes

表2 不同高度下各狀態(tài)點(diǎn)的氣動力Table 2 Aerodynamic forces at different altitudes

表3 不同攻角下各狀態(tài)點(diǎn)的氣動力Table 3 Aerodynamic forces at different attack angles

表4 不同速度下各狀態(tài)點(diǎn)的氣動力Table 4 Aerodynamic forces at different velocities

3 計(jì)算結(jié)果分析

表2計(jì)算結(jié)果表明,在一定飛行條件下,隨著高度的增加,大氣密度及大氣壓強(qiáng)減小,風(fēng)擋雨刷所受氣動力隨之減小。表3表明,當(dāng)飛行馬赫數(shù)增大時(shí),繞流氣流速度相對增大,故雨刷所受氣動力增大。表4表明,當(dāng)攻角增大時(shí),雨刷相對氣流的迎風(fēng)面積增大,以雨刷輸出軸為中心的刷臂組件力矩增大,所以其氣動力增大。

通過氣動力對比分析,表明在所選的飛行狀態(tài)下,優(yōu)化前風(fēng)擋雨刷在復(fù)位位置所受氣動力約為17 ～59 N。改變雨刷停止位置角度及增加擾流板后,氣動力顯著減小,其值為13～54 N,雨刷迎風(fēng)面所受氣動力減少3.1～6.3 N。

計(jì)算結(jié)果表明,雨刷以合理角度停放于復(fù)位位置能有效減小其迎風(fēng)面所受氣動力。此外,在雨刷刷臂加裝精心設(shè)計(jì)的擾流板,能有效引導(dǎo)風(fēng)擋雨刷迎風(fēng)面氣流的方向,從而減小雨刷迎風(fēng)面所受氣動力。

4 飛行驗(yàn)證

將優(yōu)化前后的風(fēng)擋雨刷在某型機(jī)上進(jìn)行試飛驗(yàn)證,驗(yàn)證狀態(tài)點(diǎn)如表5所示,優(yōu)化前后的風(fēng)擋雨刷裝機(jī)件外形對比情況如圖8所示。

表5 驗(yàn)證狀態(tài)點(diǎn)Table 5 Flight test conditions

圖8 優(yōu)化前后雨刷外形對比Fig.8 Comparison before and after the wiper optimization

驗(yàn)證結(jié)果表明:在一定飛行條件下,優(yōu)化前風(fēng)擋雨刷由于氣動力影響會輕微飄起,或周期性敲擊蒙皮表面;對風(fēng)擋雨刷停放位角度及外形優(yōu)化后,此現(xiàn)象消失,雨刷各項(xiàng)功能正常。

5 結(jié) 論

通過建立風(fēng)擋雨刷仿真模型,利用Fluent軟件,對不同飛行狀態(tài)下風(fēng)擋雨刷在復(fù)位位置所受氣動力進(jìn)行計(jì)算,并對風(fēng)擋雨刷的停放角度進(jìn)行優(yōu)化,比較分析了計(jì)算結(jié)果,并進(jìn)行了試飛驗(yàn)證。得出以下結(jié)論:

(1)在一定飛行條件下,風(fēng)擋雨刷所受氣動力隨著飛行高度的增加而減小,隨著飛行馬赫數(shù)的增加而增大,隨著飛機(jī)攻角的增大而增大。

(2)風(fēng)擋雨刷在復(fù)位位置以合理角度停放可有效降低氣動力,并可通過增加擾流板等措施降低其氣動力。

(3)雨刷的設(shè)計(jì)需與飛機(jī)進(jìn)行氣動力匹配計(jì)算和優(yōu)化。

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Computational research on aerodynamic forces of aircraft windshield wiper based on the N-Sequations

Miao Xinyu*,Zhu Yongfeng,Hu Yang
(AVIC The First Aircraft Institute,Xi’an710089,China)

A short paper has been presented to show the phenomenon that the aircraft windshield wiper is blown away from the parking position during the flight.This behaviour has effect on the vision of pilots and copilots,and significantly impacts the flight safety.A windshield wiper was taken as the present study object.Hybrid structured-unstructured grids were adopted for the simulation.Structured grids were used around the fuselage,and unstructured grids were on the wiper framework.An interface was used to combine these two parts,and to generate the final calculation grid.Fluent code was employed to simulate fluid dynamics over windshield wiper.Numerical simulations were carried out based on N-S equations and S-A turbulence model.The incompressible flow parameter was handled by time-averaged method.The aerodynamic forces of the windshield wiper were calculated for several flight states at parking position with different angles and shapes.According to the comparison and analysis, the simulation results indicate that the airflow on the windward surface can be effectively guided by a reasonable parking angle and the spoiler on the wiper arm.This phenomenon consequently decreases the aerodynamic forces.The optimized proposal has been validated by flight test, provided theoretical support for the pre-tightening force and parking position.

windshield wiper;N-S equations;aircraft;aerodynamic force;optimal design; spoiler;moment of force

V211.3;V244.1+5

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0225

0258-1825(2016)06-0797-06

2015-12-21;

2016-01-27

苗新宇*(1986-),男,內(nèi)蒙古巴彥淖爾人,工程師,主要從事飛機(jī)防冰與除雨的設(shè)計(jì)與研究工作.E-mail:mxy25825@126.com

苗新宇,朱永峰,胡泱.基于N-S方程的飛機(jī)風(fēng)擋雨刷氣動力計(jì)算[J].空氣動力學(xué)學(xué)報(bào),2016,34(6):797-801.

10.7638/kqdlxxb-2015.0225 Miao X Y,Zhu Y F,Hu Y.Computational research on aerodynamic forces of aircraft windshield wiper based on the N-S equations[J].Acta Aerodynamica Sinica,2016,34(6):797-801.