后缘装置LET对多段翼型气动特性的影响研究

黄炜，龚志斌，李杰

(1.南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京 210016;2.中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 200235;3.西北工业大学 航空学院，陕西西安 710072)

引言

高升力系统对于运输机起飞着陆距离、最大起飞着陆重量、进场速度和高度等有着决定性的影响，更好的高升力性能意味着更加灵活的巡航机翼设计与更加简单的机械系统。传统的高升力系统通常都使用多段襟翼，在获得很高气动效率的同时付出了显著的重量和经济代价，现代高升力系统的设计趋势是回归简单的襟翼系统［1-2］。

为保证这些相对简单系统的高升力性能，一方面新的计算和实验手段被投入使用，这使得人们对于相关流动控制有了更好的理解;另一方面，用于改善飞机高升力特性的一些小型装置也备受关注，这些装置简单、经济且重量轻。后缘LET装置为安装在后缘下表面高度约为弦长0.25%～5.00%的小平板［3］，如传统的GF和新型的Mini-TED等。

本文采用求解N-S方程方法分析了传统的GF不同安装位置对两段高升力翼型气动特性的影响，并针对某真实飞机起飞、着陆构型多段翼型，研究了襟翼尾缘新型后缘装置Mini-TED不同偏角对气动特性的影响。

1 数值方法可靠性验证

为验证所采用数值计算方法的可靠性，本文对带有30%弦长富勒襟翼的NACA632-215B两段高升力翼型进行计算分析。计算模型襟翼偏角为27°，缝道参数为Gap=0.02，O/L=0.015。采用点对接多块网格生成技术生成的结构化粘性网格如图1所示。

图1 NACA632-215B两段翼型网格图

图2 翼面压力分布对比

图2给出了迎角0°时两段基本翼型压力分布与试验以及采用INS2D-UP求解器所得计算结果的比较。计算状态:Ma=0.2015，Re=4.69 ×106。

可以看出，计算结果与INS2D-UP求解器所得计算结果及试验结果吻合良好，说明本文所采用的数值模拟方法能够较好地对多段翼型附近的粘性绕流流场进行模拟。

2 不同位置的GF计算分析

由于后缘襟翼包含了典型的富勒运动，因此NACA632-215B两段高升力翼型可以代表当今运输机的高升力系统。在此翼型基础上本文进行了传统形式GF不同安装位置的计算研究。主翼和襟翼上的GF高度均为后缘襟翼收回时的干净翼型弦长的0.5%。

图3～图5给出了0°迎角GF不同安装位置的压力分布变化。?

图3 主翼加装GF后压力分布对比

图5 主翼和襟翼同时加装GF后压力分布对比

图6～图9给出了主翼、襟翼上GF的安装对翼型升阻特性和力矩特性的影响。主翼加装GF后，襟翼上吸力峰值降低所引起的升力下降将主翼部分后缘载荷增加所带来的升力增量抵消，且随着迎角增大总的负升力增量增加从而导致升力线斜率下降、最大升力系数减小，襟翼上前缘吸力峰值下降引起了襟翼上的压差阻力增加的同时还引起了抬头力矩的产生，当然GF本身也带来了阻力的增加。而襟翼上的GF则引起了升力的显著增加，且升力线斜率几乎不受影响，最大升力系数增加，低头力矩增大。在升力系数较高的情况下，襟翼上的GF能够使得相同升力系数下的阻力值减小，升阻比增大。

以上分析说明了在中等襟翼偏角下主翼上加装GF对气动特性是不利的，而襟翼上安装GF则有实际应用的可能。

图6 GF不同安装位置的升力特性

图7 GF不同安装位置的升阻特性

图9 GF不同安装位置的升阻比特性

3 Mini-TED流动控制研究

Mini-TED是一种新型的后缘流动控制装置。Mini-TED的长度一般为当地翼型剖面干净弦长的2%左右，它们通常安装在襟翼下表面的后缘处，并且可以向一个方向进行偏转［4-6］，如图10所示。

图10 Mini-TED结构示意图

与固定式后缘装置不同，Mini-TED可以通过调整其偏转的角度对不同的飞行状态进行流动控制。传统的固定式流动控制装置对机翼气动性能的改善作用范围十分有限，在其他使用范围内一般会带来不利的影响。而Mini-TED可以根据不同的飞行状态适时调整其偏角，进而扩大了其对流动起到有利影响的使用范围。在高速巡航时可以使Mini-TED的偏角很小，其主要作用与发散后缘装置类似;在起飞、着陆阶段，Mini-TED的偏角相对较大时，其流动控制机理与GF有一定的相似之处。

本文针对某真实飞机多段翼型的起飞构型和着陆构型，分别研究了不同的Mini-TED偏角对气动特性的影响。

3.1 起飞构型

针对某起飞构型计算分析了Mini-TED偏角为10°，20°，30°时翼型气动特性的变化。偏角为 30°时的网格及气动特性仿真曲线如图11～图14所示。

图11 Mini-TED偏角为30°时的局部网格

图12 升力系数随迎角变化

图13 阻力系数随迎角变化

图14 升阻比随升力系数变化

从图12升力系数的对比可以看出，TED偏角在0°～30°变化范围内，随着偏角增大，在相同迎角下升力系数也随之增大，翼型的失速迎角随着偏角的增大略有减小。从图13阻力系数的对比可以看出，在相同迎角下随着偏角增大阻力系数也随之增大。但是从图14升阻比随升力变化曲线的对比可以看出，TED偏角为10°时最大升阻比比原始起飞构型略大，偏角为20°时最大升阻比与原始起飞构型相当，偏角为30°时最大升阻比比原始起飞构型要小。在较大升力系数状态下，加装TED后升阻比均大于原始起飞构型。

从计算结果可以看出，对于起飞构型多段翼型在加装不同偏角的TED后升力系数均有所增大，相应的阻力系数也随之增大，在增大升力系数的同时升阻比也有一定的提高潜力。因此在工程实际应用中，针对起飞状态通过对TED安装偏角进行优化选择，可以在增大升力的同时改善升阻比特性。

3.2 着陆构型

针对着陆构型分别计算分析了Mini-TED偏角为 30°，45°，60°，75°状态下翼型气动特性与原始构型的变化。偏角为60°时的网格及仿真曲线如图15～图18所示。

图16～图18分别给出了不同的TED偏角下着陆构型升力系数、阻力系数以及升阻比的对比。从升力系数对比可以看出，与原始着陆构型相比，加装TED后，升力系数均有所增大，失速迎角均有所减小。当偏角为45°时，CLmax取得最大，当偏角进一步增大时，CLmax随之降低。从阻力系数对比图中可以看出，在相同迎角下随着TED偏角的增大阻力系数也随之增大。从升阻比随升力变化曲线对比图中可以看出，在升力系数较小的范围内(CL＜3.8)，在相同升力系数下加装TED后，升阻比均小于原始着陆构型多段翼型，且随着TED偏角的增大，升阻比逐渐减小。在较大升力系数状态下(CL＞3.8)，加装TED后升阻比均大于原始着陆构型。在工程实际应用中，针对着陆状态根据TED对升力、失速迎角和阻力的具体影响，通过对TED的安装偏角进行优化，可以进一步改善飞机的着陆性能。

图15 TED偏角为60°时的局部网格

图16 升力系数随迎角变化

图17 阻力系数随迎角变化

图18 升阻比随升力系数变化

4 结束语

本文针对30%弦长富勒襟翼的NACA632-215B两段高升力翼型不同位置的GF进行了计算分析，结果表明在中等襟翼偏角下主翼尾缘安装GF对气动特性是不利的，而GF在襟翼尾缘的安装则有实际应用的可能。并针对某真实飞机起飞构型和着陆构型多段翼型，研究了襟翼后缘不同偏角的Mini-TED对气动特性的影响。对比GF和Mini-TED对多段翼型气动特性的影响可以看出，与固定式后缘装置不同，对于Mini-TED可以通过调整偏转的角度对不同的飞行状态进行流动控制。传统的固定式LET对气动性能的改善起有利作用的范围十分有限，而在其他使用范围内一般会带来不利的影响，而Mini-TED可以根据不同的飞行状态适时调整偏角，进而扩大其对流动起到有利影响的范围。

［1］ James C Ross，Bruce L Storms，Paul G Carrannanto.Liftenhancing tabs on multi-element airfoil［J］.Journal of Aircraft，1995，23(3):649-655.

［2］ Bruce L Storms，James CRoss.Experimental study on liftenhancing tabs on a two-element airfoil［J］.Journal of Aircraft，1995，23(5):1072-1078.

［3］ Dale L.Experimental，computational investigation of liftenhancing tabs on a multi-element airfoil［R］.NASA TM 110432，1996.

［4］ Hasen H.Application ofmini-trailing-edge devices in the AWIATOR project［C］//5th ONERA-DLR Aerospace Symposium.Toulouse，France，2003.

［5］ Gardner A D，Nitzsche J，Neumann J，et al.Adaptive load redistribution using Mini-TEDs［C］//25th International Congress of the Aeronautical Sciences.Hamburg，Germany，2006.

［6］ Richter K，Rosemann H.Numerical investigation on the aerodynamic effect of Mini-TEDS on the AWIATOR aircraft at cruise condition［C］//25th International Congress of the Aeronautical Sciences.Hamburg，Germany，2006.