柵格翼氣動(dòng)特性數(shù)值模擬研究

王青 張銀

摘 要： 對于為達(dá)到各種目的而研制的現(xiàn)代飛行器來說，經(jīng)常要滿足多種多樣復(fù)雜的要求，有時(shí)甚至是自相矛盾的要求，傳統(tǒng)平板翼已越來越不能滿足設(shè)計(jì)要求，因而必須研究和使用新的升力面，柵格翼作為一種創(chuàng)新型的升力面就是其中的一種。本文選取了三種不同結(jié)構(gòu)型式的柵格翼進(jìn)行了數(shù)值模擬，對不同型式的柵格翼流動(dòng)機(jī)理及氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞： 飛行器；柵格翼；氣動(dòng)特性；數(shù)值模擬

引言：

柵格翼作為飛行器的升力面或控制面，可提高其升力特性，并且增加其穩(wěn)定性和可控性，同時(shí)保證其在各飛行階段具有足夠的強(qiáng)度、剛度。因而得以在導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星上成功應(yīng)用。柵格舵面取代傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力控制舵面，可以減輕舵翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減少大攻角機(jī)動(dòng)飛行時(shí)氣流分離、減小舵面鉸鏈力矩，從而使舵機(jī)功率降低、增大氣動(dòng)升力和控制力矩、提高低速飛行時(shí)的穩(wěn)定性和高速飛行時(shí)的機(jī)動(dòng)性。柵格翼因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)形狀和小弦長，可以緊貼彈體折疊，這樣導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)更加緊湊，易于存儲和運(yùn)輸。

研究內(nèi)容：

研究了三種不同結(jié)構(gòu)型式的柵格翼，分別為1）、矩形蜂窩式，2）、矩形框架式，3）、斜置蜂窩式。對其流場及氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

三種型式的柵格翼尺寸均為60mm×135mm×30mm（寬×展長×弦長），柵格翼內(nèi)部柵格厚度為0.8mm。如圖 1所示為三種不同型式柵格翼外形示意圖：網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格量400萬。

圖2為不同結(jié)構(gòu)型式柵格翼在Ma=3.0時(shí)的流場速度云圖，從圖中可以看出，由前緣激波均在相鄰柵格上相交反射，在柵格翼內(nèi)部形成復(fù)雜的激波/激波相交干擾以及激波/邊界層干擾；隨著流動(dòng)繼續(xù)向下流發(fā)展，反射激波與柵格翼后緣拖出的剪切層相互干擾、反射，形成馬赫盤結(jié)構(gòu)。

圖3為不同型式柵格翼氣動(dòng)特性變化曲線。三種柵格翼的軸向力隨攻角變化較小，說明此時(shí)攻角對軸向力的影響較弱，波阻對軸向力的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。矩形蜂窩式的軸向力系數(shù)最大，斜置蜂窩式次之，矩形框架式最小，不同柵格型式對軸向力系數(shù)的影響較為顯著。矩形蜂窩式柵格內(nèi)柵格數(shù)量較多，每一片格柵均會形成激波，產(chǎn)生波阻，同時(shí)由于橫向柵格的存在，使得激波相互之間干擾更加嚴(yán)重，造成氣流阻滯，增大阻力。而斜置蜂窩式的格柵間距較大，柵格之間的氣流干擾較弱。矩形框架式的軸向力系數(shù)最小是由于柵格內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單，柵格內(nèi)翼的數(shù)量少，形成波阻的結(jié)構(gòu)較少，同時(shí)沒有橫向柵格的存在，氣流的壅塞現(xiàn)象也有明顯的緩解。法向力系數(shù)由大到小依次為矩形框架式、矩形蜂窩式、斜置蜂窩式。

結(jié)論：

1）赫數(shù)和柵格間距共同影響著相鄰柵格之間激波干擾的位置，馬赫數(shù)越大、柵格間距越大，激波/激波干擾、激波/邊界層干擾位置越靠后；

2）對于相同計(jì)算狀態(tài)下的軸向力系數(shù)來說，矩形蜂窩式柵格翼最大，矩形框架式柵格翼最小，斜置蜂窩式居于兩者之間；

3）法向力系數(shù)由大到小依次為矩形框架式、矩形蜂窩式、斜置蜂窩式。