柵格翼氣動特性數值模擬研究

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。