發動機短艙安裝位置對民機氣動性能參數影響

游澤宇，劉戰合，吳登宇

（鄭州航空工業管理學院航空工程學院，河南 鄭州 450046）

發動機的吊掛位置是民用飛機總體設計的重要參數，對飛機的氣動性能影響尤為明顯[1-3]。在民用飛機的設計過程中吊掛系統位置選擇和設計通常在飛機設計初步設計階段到詳細設計階段完成，一旦該項工作在飛機詳細設計階段出現嚴重問題，將付出巨大的代價進行修正[4,5]。

降低飛行阻力是飛行器設計的重要考慮因素，低的飛行阻力在經濟性上具有較高優勢，這一點在民用航空領域更為關注[6,7]。對采用發動機短艙方式的民航飛機，短艙帶來的流場干擾會在一定程度上造成飛機外流場的畸變，從而增大阻力，因此，如何降低短艙帶來的阻力具有一定的研究意義[8-10]。

以某種常規布局客機為研究對象，研究了尾吊、翼吊（三種不同翼吊方式）對不同狀態下的氣動特性影響，并結合流場壓力變化、壓力云圖等分析了氣動影響。研究結果可以對民用飛機的短艙位置選擇提供參考。

1 基本理論及計算參數設置

1.1 繞流控制方程與湍流模型

在笛卡爾直角坐標系下，對飛機不可壓定常粘性空氣繞流三維流場，其質量連續微分方程和動量N-S方程寫為[8,9]：

選用SST湍流模型(剪切應力傳輸模型)，該模型更適于對流減壓區域計算，在近壁面和遠壁面處都能得到比較精確的解[8,9]。

1.2 計算模型及短艙位置

結合已有民用飛機設計思路，將發動機短艙按翼吊和尾吊兩種布局形式共4個安裝位置，以波音737總體外形為基準，參考其短艙位置方式（即位于機翼前）、ARJ21和達索獵鷹7X，如圖1所示，分別為發動機短艙在機翼前、發動機短艙在機翼正下方、發動機短艙在機翼后、尾吊布局，依次命名為位置A、B、C、D。

圖1 短艙安裝位置示意圖

對A、B、C位置，發動機掛架對稱面均距離飛機對稱面為6 m，A位置發動機末端在機翼前緣處，B位置發動機前端在機翼前緣處，C位置發動機前端在機翼后緣處。對D位置，參考如ARJ21和達索獵鷹7X等民機，其發動機距機頭70～80%的機身長度，對本文研究對象取76%，即發動機前端距機頭23 m。

飛機模型主要幾何參數如表1所示。

表1 飛機模型的主要幾何參數表

1.3 計算設置

根據壓力遠場（Pressure-Far-Field）邊界條件的使用條件，模型距計算域邊界的距離至少為其特征長度的25倍，取計算域邊界距離模型750m以上。在壁面邊界層區域生成10層邊界層棱柱網格（Y plus值=10），并在機翼后方設置網格加密。

為保證計算精度并適當考慮計算時間，使用ICEM CFD前處理軟件生成400萬左右網格單元進行流場特性數值計算。A情況下的發動機附近網格如圖2所示。

圖2 A模型局部計算網格

基于FLUENT軟件，部分數值計算設置如表2所示，計算域所有邊界均為壓力遠場邊界條件，飛機所有表面均設定為非滑移（Wall）邊界，選擇氣體條件為理想氣體，氣體粘度遵循三方程薩瑟蘭公式。計算過程中，以收斂殘差標準設定為1.0e-04，即升力系數、阻力系數波動在1.0e-04以內。

表2 計算參數設置

2 壓力云圖的影響

發動機短艙處于不同位置時會引起氣動性能的變化，其本質原因是發動機對壓力分布的影響，從兩個維度進行分析，一是發動機在展向對應的截面處的壓力云圖，二是發動機對機翼下方的壓力云圖影響。

2.1 展向截面壓力云圖分析

圖3為迎角4°時，發動機短艙在不同安裝位置的展向截面壓力云圖。

圖3 短艙不同安裝位置展向截面壓力云圖

如圖3（A）所示，即發動機短艙為A位置，短艙安裝在機翼前，氣流流經短艙表面時加速，影響了機翼下表面局部的流速，在機翼下表面產生局部低壓區，對機翼產生的升力有較小的影響，同時，由于發動機離機翼有一段距離，產生氣動耦合作用較小，對阻力影響相對B、C位置較小。

圖3（B）可以看出，對于位置B情況，發動機短艙在機翼正下方時，發動機短艙的外流場與機翼的外流場相互干擾，使得機翼前緣位置下方氣壓降低，在一定程度上降低了機翼升力；同時，觀察在機翼前緣、發動機短艙前方，高壓區影響范圍增大，并產生局部高壓區域耦合現象，從而增加飛機的總阻力。

對位置C，與A和B對比，圖3（C）說明，發動機短艙安裝在機翼后方時，機翼的下洗氣流干擾發動機短艙的外流場，增加了流經短艙的局部氣流流速，使短艙局部表面壓力減小，從而降低機翼該位置上產生的升力；同時，發動機短艙前方有較大高壓區，增加了對應狀態下的阻力。

如圖3（D）所示，尾吊布局時，發動機短艙外流場與機體流場相互干擾較小，由于距離機翼較遠，對機翼附近壓力幾乎無影響，因此升力上損失較小；由于發動機短艙的存在，在機身部位、短艙前方產生局部高壓區域，形成干擾阻力，在一定程度上增加了飛機的總阻力。

2.2 機翼下表面壓力云圖對比分析

為進一步研究升阻特性的影響，分析同一飛行狀態下不同安裝位置對機翼下表面壓力的影響，如圖4所示。

圖4 短艙不同安裝位置機翼下表面壓力云圖對比

觀察圖4中（A）（B）（C）可以看出，發動機短艙的存在會影響到機翼下表面的壓力分布，總體來看，位置A的影響最小，與（D）對比可以看出，僅由掛架對機翼下方掛架部位有較小的影響，因此，對升力的影響有限，接近位置D的壓力分布。當發動機短艙位于機翼正下方時，短艙的出現在一定程度上對機翼下方氣流構成了干擾，較大的影響了機翼下方的壓力分布，且增加了低壓區域范圍，減小了對應位置對升力的貢獻，降低了升力及整機升力系數。發動機短艙后置至C位置時，氣動干擾更加明顯，結合圖4分析可以看出，發動機短艙對機翼下方壓力的干擾更為明顯，盡管在機翼表面下方有一定的高壓區域，但發動機短艙受到機翼下洗氣流影響，降低了對應的區域壓力，綜合構成對機翼的升力影響，從后續氣動參數可以看出，該位置下的升力系數較B位置稍大，正是機翼下方表面壓力增加的效應。

相應的，發動機短艙位于機身后端位置D時，如前所述，距離機翼位置較遠，可視為對機翼下表面的壓力影響忽略不計，因此幾乎不影響升力的變化。

3 氣動特性影響分析

壓力云圖在一定程度上說明了氣動特性如升力系數、阻力系數的影響機理，但量化的影響需要通過氣動參數的變化來研究。對四種位置A、B、C、D，分別計算了升力系數、阻力系數、升阻比曲線，進一步研究不同位置下氣動性能的影響規律。圖5，圖6，圖7分別為-6°至24°迎角下，A、B、C、D的升力系數、阻力系數、升阻比變化曲線。

圖5 升力系數曲線對比

由升力系數變化曲線圖5可以看出，曲線A與D接近，重合度較高，具有較高的升力線斜率，0度迎角以上，A、D的升力系數稍大，結合壓力云圖3、4，造成這一現象的原因是發動機短艙對機翼表面附近壓力的影響所致；迎角大于10度時，受機翼表面后緣分離影響，曲線開始偏離，在14度之后表現較為強烈，開始有失速趨勢，且A、D兩種位置的失速性能較好。

0度迎角時，四種位置升力系數差距較小，結合曲線特征，A位置的升力系數由2度迎角的1.0399增加到16度迎角的1.9334，與之接近，D位置升力系數對應由1.0367增加到1.9170，且大多情況下A位置升力系數較大。對C位置，由于升力線斜率較小，升力系數迎角較大時，升力系數相對其它位置較小，D位置介于三者之間。因此，從巡航狀態（2～6度迎角）來看，A位置具有最優的升力系數，與D接近。

圖6 阻力系數曲線對比

從阻力系數曲線來看，圖6說明，A、D阻力系數曲線基本重合，說明發動機短艙對阻力的影響在兩個位置接近，同時，由圖可以看出，在迎角0～20°范圍內，A、D阻力最小，B次之，C最大，說明發動機短艙位置對阻力系數有較大影響。對位置A來說，阻力系數由0°迎角的0.2209增加為16°迎角的0.5851，位置D為0.2168增加到0.5852，作為對比，位置B變化為0.2579增加到0.5892，位置C變化為0.2571增加到0.6693，可以看出，阻力系數A相對C在16°迎角時降低了12.5%，幅度較大，以上特性也體現在壓力云圖分析中。因此，從阻力系數來看，A、D具有較好的阻力性能，B次之，C最差。

四種位置的升阻比曲線如圖7所示，可以看出，與升力系數、阻力系數類似，位置A和D升阻比曲線變化特點接近，二者曲線基本重合；B和C盡管在-4和-6°迎角時具有較高的升阻，但在-2°及其以上，升阻比開始減小，位置B在0～12°的升阻比比A和D小，之后接近，而位置D在0°之后，升阻比均比A和D小，且差距較大。在4°迎角時，位置A、B、C、D的升阻比分別為4.3969、3.9331、3.7514、4.4253，A、B的升阻比分別比C提高了17.2%、17.9%，升阻比提高較為明顯。

圖7 升阻比曲線對比

為進一步分析氣動性能影響，不同位置的典型氣動性能參數如表3所示。

表3 短艙不同安裝位置部分氣動性能參數對比表

由表可以看出，位置A和D典型氣動參數基本接近，如前所述，是由于二者發動機短艙對升力、阻力系數的影響較小，考慮到結構、維護等問題，民航飛機發動機短艙布置應選擇A較好。位置B氣動性能稍差，位置C最差，在設計過程中，應盡量避免使用。

以巡航迎角4°為例，位置A相對C的升力系數增加了2%左右，阻力系數減小了12.9%，最大升阻比如前所述增加了17.2%，同時，升力線斜率也有較大的增加。

4 結論

為研究民用飛機發動機位置的氣動性能影響規律，建立了飛行模型，采用Fluent軟件分析了發動機短艙典型位置的氣動特性，得到以下結論：

1）壓力云圖影響：位置A和D上，發動機短艙對機翼影響較小，而對B和C，發動機短艙前方產生了高壓區域，增加了阻力，機翼下方的壓力分布也較為復雜，降低了升力。

2）氣動特性影響：發動機短艙不同位置對升力系數有一定影響，但相對阻力系數影響較弱；位置A和D的升力系數、阻力系數曲線基本接近，具有較好的氣動性能，位置B次之，而位置C最差；16°迎角時，位置A相對C的阻力系數降低了12.5%，改善了氣動性能。

3）典型狀態氣動影響：對位置A，迎角4°的升力系數最大，阻力系數最小，相對位置C降低了12.9%；位置A的最大升力系數和最大升阻比與D接近，均大于B和C位置。