周立胜
中航通飞研究院，珠海519040
摘 要：螺旋桨滑流对飞机气动特性和扫掠部件的气动载荷影响显著。基于动量理论，对螺旋桨滑流引起的襟翼表面动压增加效应进行研究，给出了一种考虑螺旋桨滑流影响的襟翼气动载荷计算方法。对某飞机应用该方法，计算其襟翼展态气动载荷，结果表明：发动机最大连续功率状态下的螺旋桨滑流使襟翼气动载荷增加了35%；发动机最大起飞功率状态下的螺旋桨滑流使襟翼气动载荷增加了78%。研究成果对飞机型号研制中襟翼及其他部件的载荷滑流影响分析具有一定的指导意义。
关键词：螺旋桨滑流，动量理论，襟翼，气动载荷
中图分类号：V215.1 文献标识码：A
螺旋桨后，轴向速度高于未受扰动的流动且同时存在旋转速度的流管称为螺旋桨滑流。浸入滑流中的飞机部件表面压力与无滑流情况有明显差异。螺旋桨滑流对飞机的升力、阻力、稳定性与操纵性等都有较大影响[1]。
对于螺旋桨滑流的研究目前主要存在着三种基本方法：理论分析方法[2]、实验方法[3]和数值模拟方法[4]。
襟翼是一种典型的增升装置，其伸展后大部分面积被滑流扫掠，表面动压增加，气动载荷显著增大。本文基于动量理论，对螺旋桨滑流引起的襟翼表面动压增加效应进行研究，给出了一种考虑螺旋桨滑流影响的襟翼气动载荷计算方法。采用该方法对某飞机襟翼展态气动载荷进行了计算，并用于工程设计。
1 螺旋桨动量理论
动量理论将螺旋桨等效为一个无厚度的激励盘（actuator disc），对螺旋桨滑流模型进行如下简化[1][2]：
1) 桨盘前后存在压差，但前后轴向速度是相等的；
2) 忽略流动旋转或扭曲，假定滑流横截面内的轴向速度是相等的，考虑流管的收缩。
在动量理论中，气流通过桨盘的流动如图1所示。
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图1 襟翼被滑流覆盖部分平均动压的增加
规定大气和飞行参数如下：来流速度为V（可取飞机飞行速度），压强为P；大气密度为ρ（假设为不可压理想流体）；桨盘前压强为P1，气流通过桨盘后压强增加δP1，轴向速度增大为V(1+a)；收缩后的滑流流管中轴向速度进一步增大为V(1+b)，但压强降到P。
由伯努利方程可得桨盘前后的大气总压分别为：
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桨盘前后的压差为：
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桨盘面积为SP，则螺旋桨拉力为：
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根据动量定理，螺旋桨拉力还可表示为：
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其中，m为每秒流过桨盘面的空气质量。
联立(4)式和(5)式，可得：
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2 滑流参数分析
设螺旋桨拉力系数为:
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联立(5)、(6)和(7)，可解得：
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则被滑流覆盖的襟翼部分动压qSP相对飞机前方来流速压q之比为：
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假设滑流收缩流管截面面积为SPS，根据质量守恒定理，有
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则滑流收缩流管截面直径DSP与桨盘直径DP之比为：
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3 滑流对襟翼气动载荷的影响
螺旋桨滑流扫掠过襟翼后，使其覆盖的表面动压增加，襟翼气动载荷的滑流修正系数可表示为：
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上式中，Sf为襟翼总投影面积；Sf.SP为滑流覆盖的襟翼部分投影面积。
联立(9)式和(12)式，可得：
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4 某飞机襟翼气动载荷计算
某飞机为四发飞机，单侧机翼前装有两台涡桨发动机，机翼后缘装有定轴后退式双缝襟翼作为增升装置，如图2所示。显然，单侧襟翼气动载荷受到两台发动机的螺旋桨滑流影响。
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图2 某飞机螺旋桨和襟翼示意图
根据适航规章条款CCAR 25.345(b)(1)条规定，襟翼设计必须考虑以下限制载荷[5]：
载荷系数不大于1.0。在设计襟翼速度VF时，对应于发动机最大连续功率的螺旋桨滑流，以及对应于发动机起飞功率，飞机速度不小于1.4 倍的失速速度(此时襟翼处于特定位置，飞机为相应的最大重量)下的螺旋桨滑流。
基本设计参数如下：襟翼面积Sf=17.39 m2，螺旋桨桨盘直径DP=4.0 m，桨盘面积SP=12.57 m2；襟翼伸展至着陆偏度时，VF=278 km/h，1.4VS=216 km/h。
在飞机最大起飞重量下，根据设计速度和载荷系数1.0的要求，求出着陆构型下的飞机姿态。基于CFD计算得到的襟翼表面无动力气动压力分布数据库，求解出襟翼无动力载荷基础，见表1。载荷参考全机坐标系，XOZ平面在飞机对称面内，X轴从机头指向机尾为正，Z轴向上为正。
表1 襟翼无动力气动载荷基础
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分别考虑发动机最大连续功率和最大起飞功率两种状态下的螺旋桨滑流影响，根据前文研究结果，得到考虑滑流影响的襟翼气动载荷，见表2。
表2 考虑滑流影响的襟翼气动载荷
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由表2可知，对于某飞机，在发动机最大连续功率状态下，两台发动机的螺旋桨滑流影响使单侧襟翼气动载荷增加了35%；在发动机最大起飞功率状态下，两台发动机的螺旋桨滑流影响使单侧襟翼气动载荷增加了78%。
5 结论
本文基于动量理论，对螺旋桨滑流引起的襟翼表面动压增加效应进行研究，给出了一种考虑螺旋桨滑流影响的襟翼气动载荷计算方法。研究结果已应用于某飞机的方案设计，对其他飞机型号研制也有一定指导意义。
参考文献
[1] Ed Obert, Aerodynamic Design of Transport Aircraft[M]. IOS Press. 2009.
[2] 刘沛清，空气螺旋桨理论及其应用[M]. 北京航空航天大学出版社. 2006.
[3] 李征初，王勋年，陈洪. 螺旋桨滑流对飞机机翼流场影响试验研究[J]. 流体力学实验与测量，2000，14(2).
[4] 马率，邱名，王建涛. CFD在螺旋桨飞机滑流影响研究中的应用[J]. 航空学报，2019，40(4).
[5] 中国民用航空局. CCAR-25-R4，中国民用航空规章第25部运输类飞机适航规定[S]，2011.