基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟

aero-engine 2023年6月21日浏览：1758

摘要

为对概念设计战略大飞机且加装预警雷达天线的气动特性进行对比，采用CATIA软件，设计一种战略大飞机的3D几何模型。基于计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术，空气流场的湍流模型采用标准的k-ε方程，流体力学控制理论则采用3维N-S方程。经Fluent软件数值模拟，得出战略大飞机的压力系数云图、速度等值面图和升阻特性，并计算在平飞时飞机的质量和需用推力。结果表明，该研究能对大飞机总体设计提供参考依据和技术支撑。

来源

《兵工自动化》2021年第03期《基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟》
作者：岳奎志1，程亮亮2，董超1，郁大照1
单位：1. 海军航空大学一院，山东烟台 264001；2. 海军航空大学二院，山东烟台 264001

引用格式

岳奎志，程亮亮，董超，等. 基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟[J].兵工自动化，2021, 40(03):43-47,53.
欢迎引用，谢谢！

引言

战略大飞机是一种多用途飞行器的支撑平台，有民用、军用和航天等多种发展方向。目前主要的战略大飞机有：俄罗斯的“伊尔-76”，乌克兰的“安-124”和“安-225”，美国的“C-17” “C-5”“波音-747”和“波音-777”等，欧洲的“A-380”。中国对战略大飞机的研发也非常重视。

计算流体力学是流体力学、数值分析和计算机科学结合的产物。基于CFD技术研究飞机的气动特性，国内外学者已取得了丰富的学术成果。文献[1]和文献[2]基于伴随算子，研究大飞机在全机状态下的机翼多参数、高精度优化设计，并考虑短舱和机身对机翼气动特性的影响；文献[3]采用非结构混合网格方法数值求解N-S方程，分析了进排气效应对机翼气动载荷的影响；文献[4]对大飞机布局风洞实验尾支撑干扰开展了数值模拟和实验研究，数值方
法计算结果与风洞实验结果有很好的一致性；文献[5]基于3D数字样机和高精度数值模拟方法，设计自动驾驶仪闭环仿真系统；文献[6]研究非平面机翼的气动性能；文献[7]研究宽体飞机客舱环境控制系统的通风情况；文献[8]研究飞机在大迎角条件下的气动特性；文献[9]研究飞机机翼的结构和气动耦合技术；文献[10]研究飞机空气动力和稳定特性；文献[11]研究运输机尾部降阻增升方案的设计，并进行风洞试验；文献[12]考虑进气道几何特征，研究高速飞机的进气道特性；文献[13]使用降阶模型，数值模拟飞机的结冰特性；文献[14]研究大飞机缝翼滑轨对飞机气动性能的影响；文献[15]数值模拟大飞机静压孔周围的压力系数，仿真得出压力系数与实际侧滑角的关系；文献[16]基于分布式推进系统与翼身融合体耦合的飞机气动布局设计方案，研究设计参数对飞机气动特性的影响；文献[17]计算评估大量外形方案性能，完成民用飞机与发动机集成构型下机翼多目标优化设计；文献[18]估算机翼下挂载吊舱对试验飞机飞行品质的影响；文献[19]提出智能自适应控制策略，并对波音747进行仿真，效果显示能够实现强风干扰影响下的大飞机姿态快速稳定与快速机动。
虽然对大飞机的气动特性研究较多，但是关于概念设计战略大飞机，且加装预警雷达天线后的气动特性对比方面的研究，尚未搜到相关文献；因此，笔者采用CFD技术，研究战略大飞机的概念设计，并进行战略运输机和战略预警机的气动特性研究。

理论依据

在对战略大飞机进行CFD数值模拟的过程中，空气流场的湍流模型采用标准的k-ε方程，流体力学控制理论则采用3维N-S方程。
湍流模型的标准k-ε方程[20]为：

基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟的图1

控制理论的3维N-S方程为[21]：

基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟的图2

其中：ρ是流体密度；k是湍动能；t是时间；ui是时均速度；μ是流体动力粘度；μt是湍动粘度；σk是与湍动能k对应的Prandtl数；Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项；ε是湍动耗散率；YM是湍流中脉动扩张的贡献；Sk是用户定义的源项；σε是与耗散率ε对应的Prandtl数；C1ε、C2ε和C3ε是经验常数；Sε是用户定义的源项；u是速度矢量；u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向上的分量；p是流体微元体上的压力；div()是散度；grad()是梯度；Su是动量守恒方程u方向的广义源项；Sv是动量守恒方程v方向的广义源项；Sw是动量守恒方程w方向的广义源项[22]。

战略大飞机概念设计

战略大飞机的使命任务和发展定位为：1) 在军用领域，战略大飞机可作为军用运输机、预警机、加油机和预警加油机的飞行平台；2) 在民用领域，战略大飞机可成为客机，同“波音-747”和“A-380”平分秋色。

根据飞机设计的使命任务和发展定位，采用CATIA软件，参照“安-225”“波音-747”和“A-380”等大飞机，笔者设计出战略大飞机的3维数字样机如图1。

基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟的图3

战略大飞机为正常式气动布局、H形尾翼、4台涡扇发动机的宽体飞机，其总体布置情况如下：1) 后掠机翼分成2段，并带有翼尖小翼，带有4片襟翼和2片副翼；2) 平尾上反7°，并带有6片升降舵；3) 双立尾外倾角为10°，每个立尾带有上下2片方向舵；4) 平尾和双立尾组合成H形尾翼；5) 机翼下吊挂4台型号为通用电气GB90-115B的涡扇发动机，单台发动机最大推力为567 kN；6) 主起落架共计有32个机轮，左右两侧各8个起落架，每个起落架带有2个机轮；7) 前起落架有2个起落架，每个起落架带有2个机轮。
概念设计战略大飞机的3维数字样机，采用的主要设计参数见表1。

基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟的图4

在民用客机领域，战略大飞机一次可以承载599名乘客；在军用运输机领域，战略大飞机一次可以运送11辆步兵战车，参见图2(a)；在预警机领域，大飞机可以衍生成战略预警机，设计的探测距离达到1 500 km，参见图2(b)。

基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟的图5

在概念设计综合领域，战略大飞机还可以充当加油预警机。

分析与讨论

主要进行战略大飞机的气动特性分析。

战略大飞机按照几何形状相似度，划分成2种类型：战略运输机、战略预警机。在建立战略大飞机的几何模型后，需对飞机划分网格，才能进行CFD分析。基于 Workbench软件Mesh模块，采用非结构的四面体网格，对战略大飞机飞行的气动流场进行网格划分，生成战略运输机的流场网格数量为12 676 981个，生成战略预警机的流场网格数量为13 596 208个。取流场网格在战略大飞机表面的网格部分，生成战略大飞机的网格见图3。

基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟的图6

在生成流场网格后，进行战略大飞机的气动特性分析。
采用Workbench软件的Fluent模块，基于CFD理论，分析战略大飞机的气动特性。

因为战略运输机在高空进行巡航飞行，所以分析其在12 km空中飞行时的气动特性。在进行CFD求解战略运输机气动特性过程中，在模型设置选项中湍流理论采用标准的k-ε方程，而流体力学控制理论采用3维N-S方程。战略运输机流场的初始条件设置如下：1) 流场入口流体为空气，在海拔12 km空中的大气密度为0.311 94 kg/m3，压力为19 399 Pa，声速为295.07 m/s，动力粘度为1.421 6×10-5 N∙s/m2；2) 大气流场入口速度为0.8 Ma；3) 大气流场出口为自由出流；4) 机翼参考面积为900 m2；5) 重心位置设定为x=41.989 m，y=0 m，z=1.982 m。

飞机在迎角为0°时，经Fluent软件的数值模拟可以得出：1) 战略运输机的动压、静压云图见图4；2) 战略运输机的速度等值面图见图5。

基于CFD理论的战略大飞机的气动特性数值模拟的图7