王青 張銀
摘 要: 對于為達到各種目的而研制的現代飛行器來說,經常要滿足多種多樣復雜的要求,有時甚至是自相矛盾的要求,傳統平板翼已越來越不能滿足設計要求,因而必須研究和使用新的升力面,柵格翼作為一種創新型的升力面就是其中的一種。本文選取了三種不同結構型式的柵格翼進行了數值模擬,對不同型式的柵格翼流動機理及氣動特性進行了研究。
關鍵詞: 飛行器;柵格翼;氣動特性;數值模擬
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,并且增加其穩定性和可控性,同時保證其在各飛行階段具有足夠的強度、剛度。因而得以在導彈、火箭、衛星上成功應用。柵格舵面取代傳統的空氣動力控制舵面,可以減輕舵翼結構質量、減少大攻角機動飛行時氣流分離、減小舵面鉸鏈力矩,從而使舵機功率降低、增大氣動升力和控制力矩、提高低速飛行時的穩定性和高速飛行時的機動性。柵格翼因為其結構形狀和小弦長,可以緊貼彈體折疊,這樣導彈結構更加緊湊,易于存儲和運輸。
研究內容:
研究了三種不同結構型式的柵格翼,分別為1)、矩形蜂窩式,2)、矩形框架式,3)、斜置蜂窩式。對其流場及氣動特性進行了數值模擬研究。
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:網格采用結構網格,網格量400萬。
圖2為不同結構型式柵格翼在Ma=3.0時的流場速度云圖,從圖中可以看出,由前緣激波均在相鄰柵格上相交反射,在柵格翼內部形成復雜的激波/激波相交干擾以及激波/邊界層干擾;隨著流動繼續向下流發展,反射激波與柵格翼后緣拖出的剪切層相互干擾、反射,形成馬赫盤結構。
圖3為不同型式柵格翼氣動特性變化曲線。三種柵格翼的軸向力隨攻角變化較小,說明此時攻角對軸向力的影響較弱,波阻對軸向力的影響占據主導地位。矩形蜂窩式的軸向力系數最大,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的影響較為顯著。矩形蜂窩式柵格內柵格數量較多,每一片格柵均會形成激波,產生波阻,同時由于橫向柵格的存在,使得激波相互之間干擾更加嚴重,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最小是由于柵格內結構簡單,柵格內翼的數量少,形成波阻的結構較少,同時沒有橫向柵格的存在,氣流的壅塞現象也有明顯的緩解。法向力系數由大到小依次為矩形框架式、矩形蜂窩式、斜置蜂窩式。
結論:
1)赫數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)對于相同計算狀態下的軸向力系數來說,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)法向力系數由大到小依次為矩形框架式、矩形蜂窩式、斜置蜂窩式。