基于CFD分析的水上飛機前起落架艙排水時間分析

詹大可 魏猛 張帆 陳永新 陳明生

中航通飛華南飛機工業有限公司 廣東 珠海 519040

飛機結構的防水和排水設計是腐蝕防護與控制的重要組成部分[1-2]。隨著飛機設計的發展，在防水和排水設計上形成了相應標準[3]，但相關標準對水上飛機外部環境區域（如起落架艙）缺乏具體指導。

隨著起落架的收放作動及在水面停留過程中浪涌波動，水上飛機的前起落架艙將有水存留。一般地，水上飛機前起落架艙上部采用防水設計，下部設置排水口。當水上飛機滑行離開水面轉移至陸地時，存留水體可通過排水口和艙門縫隙排出。但水上飛機在水面起飛過程中，如前起落架艙內存留水體未能在短時間內排出，可能對飛機重心及重心變化產生不可忽略的影響。為保證飛行安全，本文基于N-S方程和k-epsilon湍流模型，采用VOF計算模型對某型水上飛機在水面起飛過程中的前起落架艙殘存水體排出過程進行計算，以驗證當前設計合理性，并為起落架艙排水口設計提供理論依據和參考。

1 研究對象

某型水上飛機的前起落架艙上半部分進行了水密設計，下半部分通過艙門縫隙和兩個排水口與外界相連。前起落架艙布局如圖1所示。

圖1 前起落架艙布局示意圖

2 計算過程

2.1 選取計算模型

由于上半部分采用水密設計，由于無通氣口，當進水水位高于艙門縫隙后進水將變得十分困難，故艙內存留水的理論水線應在艙門縫隙附近。但實際情況中存在浪涌波動及水中收起落架后的液位波動，考慮到過程分析復雜，且水線位置還隨飛機重量變化而變化，故按保守情況進行分析和計算，取某型水上飛機最大重量狀態下的理論水線高度作為前起落架艙存留水體高度。

為縮短計算時間，對前起落架艙模型進行了簡化處理，形成前起落架艙排水時間的CFD計算模型，如圖2所示。

圖2 前起落架艙排水時間計算模型

2.2 生成網格

由于起落架艙模型為左右對稱結構，故計算時進行半模處理，計算網格采用笛卡爾網格，對縫隙區域進行加密，并在壁面附近添加附面層，增長層數都以自由增長方式計算而定，全機網格數量約為600萬，整體網格如圖3所示。

圖3 計算域網格化示意（半模）

2.3 控制方程

流場連續相計算控制方程為非定常N-S方程組和k-epsilon湍流模型，多相流模型選用流體域體積（VOF）方式，考慮多相交互作用和重力影響，選用分離流體等溫，忽略計算過程中的溫度變化。

2.4 邊界條件

半模對稱面的邊界設置對稱面，其余外場均設置為壁面。

2.5 初始條件

在歐拉相節點下設置H2O相和空氣相，其中H2O為恒密度，空氣相為理想氣體。指定連續體中兩個流體的空間分布作為計算基準值，水面高度按圖1的水線高度設定。初始條件如圖4所示。圖4中粉紅色為水，藍色為水和空氣的交界面，即水面。

圖4 計算初始狀態示意

3 計算結果

排水過程典型狀態如圖5所示。

圖5 排水過程典型狀態

計算過程中監控計算區域內總水量（紅色線）和起落架艙內剩余水量，得到圖6數據。可以看出總水量保持不變，表明計算質量守恒，具備可信度。剩余水量逐漸減少，在約24s附近時艙內積水基本排完。如圖6。

圖6 計算域總水量和起落架艙剩余水量

4 結束語

本文以某水上飛機前起落架艙為例，對水上飛機起落架艙排水問題進行了分析和計算，并通過經驗公式對排水時間進行了核算，核算結果表明本文計算方式可行，計算結果滿足一般工程計算的要求。本文提供的計算方式為水上飛機的前起落架艙排水問題分析提供了理論依據和參考。值得注意的是，本文計算按飛機在最大重量時的水線位置作為存留水高度，實際狀態水線位置低于該高度，排水時間也將相應縮短。