基于CFD分析的水上飞机前起落架舱排水时间分析

詹大可 魏猛 张帆 陈永新 陈明生

中航通飞华南飞机工业有限公司 广东 珠海 519040

飞机结构的防水和排水设计是腐蚀防护与控制的重要组成部分[1-2]。随着飞机设计的发展，在防水和排水设计上形成了相应标准[3]，但相关标准对水上飞机外部环境区域（如起落架舱）缺乏具体指导。

随着起落架的收放作动及在水面停留过程中浪涌波动，水上飞机的前起落架舱将有水存留。一般地，水上飞机前起落架舱上部采用防水设计，下部设置排水口。当水上飞机滑行离开水面转移至陆地时，存留水体可通过排水口和舱门缝隙排出。但水上飞机在水面起飞过程中，如前起落架舱内存留水体未能在短时间内排出，可能对飞机重心及重心变化产生不可忽略的影响。为保证飞行安全，本文基于N-S方程和k-epsilon湍流模型，采用VOF计算模型对某型水上飞机在水面起飞过程中的前起落架舱残存水体排出过程进行计算，以验证当前设计合理性，并为起落架舱排水口设计提供理论依据和参考。

1 研究对象

某型水上飞机的前起落架舱上半部分进行了水密设计，下半部分通过舱门缝隙和两个排水口与外界相连。前起落架舱布局如图1所示。

图1 前起落架舱布局示意图

2 计算过程

2.1 选取计算模型

由于上半部分采用水密设计，由于无通气口，当进水水位高于舱门缝隙后进水将变得十分困难，故舱内存留水的理论水线应在舱门缝隙附近。但实际情况中存在浪涌波动及水中收起落架后的液位波动，考虑到过程分析复杂，且水线位置还随飞机重量变化而变化，故按保守情况进行分析和计算，取某型水上飞机最大重量状态下的理论水线高度作为前起落架舱存留水体高度。

为缩短计算时间，对前起落架舱模型进行了简化处理，形成前起落架舱排水时间的CFD计算模型，如图2所示。

图2 前起落架舱排水时间计算模型

2.2 生成网格

由于起落架舱模型为左右对称结构，故计算时进行半模处理，计算网格采用笛卡尔网格，对缝隙区域进行加密，并在壁面附近添加附面层，增长层数都以自由增长方式计算而定，全机网格数量约为600万，整体网格如图3所示。

图3 计算域网格化示意（半模）

2.3 控制方程

流场连续相计算控制方程为非定常N-S方程组和k-epsilon湍流模型，多相流模型选用流体域体积（VOF）方式，考虑多相交互作用和重力影响，选用分离流体等温，忽略计算过程中的温度变化。

2.4 边界条件

半模对称面的边界设置对称面，其余外场均设置为壁面。

2.5 初始条件

在欧拉相节点下设置H2O相和空气相，其中H2O为恒密度，空气相为理想气体。指定连续体中两个流体的空间分布作为计算基准值，水面高度按图1的水线高度设定。初始条件如图4所示。图4中粉红色为水，蓝色为水和空气的交界面，即水面。

图4 计算初始状态示意

3 计算结果

排水过程典型状态如图5所示。

图5 排水过程典型状态

计算过程中监控计算区域内总水量（红色线）和起落架舱内剩余水量，得到图6数据。可以看出总水量保持不变，表明计算质量守恒，具备可信度。剩余水量逐渐减少，在约24s附近时舱内积水基本排完。如图6。

图6 计算域总水量和起落架舱剩余水量

4 结束语

本文以某水上飞机前起落架舱为例，对水上飞机起落架舱排水问题进行了分析和计算，并通过经验公式对排水时间进行了核算，核算结果表明本文计算方式可行，计算结果满足一般工程计算的要求。本文提供的计算方式为水上飞机的前起落架舱排水问题分析提供了理论依据和参考。值得注意的是，本文计算按飞机在最大重量时的水线位置作为存留水高度，实际状态水线位置低于该高度，排水时间也将相应缩短。