气动特性分析

1、气动特性分析 南京航空航天大学南京航空航天大学 余雄庆余雄庆 概念设计流程 全机布局设计全机布局设计 发动机选择发动机选择 机身外形初步设计机身外形初步设计 机翼外形初步设计机翼外形初步设计 方案分析与评估方案分析与评估 重量特性重量特性 动力特性动力特性 性能评估性能评估 操稳特性操稳特性 经济性分析经济性分析 噪声特性噪声特性 排放量排放量 可靠性可靠性 维修性维修性 机场适应性机场适应性 确定主要参数确定主要参数 尾翼外形初步设计尾翼外形初步设计 总体布置总体布置 形成初步方案形成初步方案 设计设计 满足要求？满足要求？ 方案最优？方案最优？ Yes No 分分 系系 统统 分析分析 起

2、起 落落 架架 优化优化 任务 输入输入 分析评估分析评估输出输出 设计方案设计方案 巡航（高速）巡航（高速） 升阻特性升阻特性 起飞起飞/ /着陆（低速）着陆（低速） 最大升力系数最大升力系数 升阻特性升阻特性 抖振升力系数抖振升力系数 计算模型计算模型 工程估算工程估算 CFDCFD 气动特性分析评估的方法 空气动力学理论空气动力学理论计算方法计算方法在飞机设计中的应用在飞机设计中的应用 经典理论经典理论 简化解析公式简化解析公式 半经验公式半经验公式 概念设计概念设计 无粘线性位流理论无粘线性位流理论 升力面理论升力面理论 涡格法涡格法/面元法面元法 总体初步设计和气动分析，总体初步设计

3、和气动分析， 机翼弯扭设计机翼弯扭设计 无粘非线性位流理论无粘非线性位流理论 小扰动位流方程或小扰动位流方程或 全位流方程的数值方法全位流方程的数值方法 中等强度激波的中等强度激波的 跨音速流跨音速流 粘流理论粘流理论 附面层方程解附面层方程解 无粘无粘/有粘交互计算有粘交互计算 阻力计算阻力计算，附面层修正，附面层修正， 修正无粘计算结果修正无粘计算结果 无粘有旋流理论无粘有旋流理论 欧拉方程数值方法欧拉方程数值方法 包括脱体涡的亚、跨、超包括脱体涡的亚、跨、超 声速流场分析声速流场分析 粘性有旋流理论粘性有旋流理论N-S方程数值方法方程数值方法包括分离流的复杂流场包括分离流的复杂流场 内

4、容 升力升力 升力线斜率升力线斜率 设计升力系数设计升力系数 最大升力系数最大升力系数 抖振升力系数抖振升力系数 阻力阻力 摩擦阻力摩擦阻力 升致阻力升致阻力 形阻形阻 压缩性阻力（跨声速）压缩性阻力（跨声速） 超声速波阻超声速波阻 巡航巡航 干净构形干净构形 起飞起飞 襟翼打开至起飞位置襟翼打开至起飞位置 第二阶段爬升第二阶段爬升 襟翼打开至起飞位置襟翼打开至起飞位置 单发停车单发停车 着陆着陆 襟翼打开至着陆位置襟翼打开至着陆位置 气动特性气动特性飞行状态（构形）飞行状态（构形） 升力线斜率 全机升力线斜率全机升力线斜率CL的计算公式：的计算公式： _LLW CC _LW C 为机翼升力线

5、斜率为机翼升力线斜率: _ 2/2 LWRR CAA ( 1/rad ) 为因子：为因子： 2 _ 1 2 hneth grossLWgross dSd bSCS 该公式适用于该公式适用于dh / b 0.2的机型。的机型。 为校正常数，通常取值为为校正常数，通常取值为3.2； dh为飞机机身的最大宽度；为飞机机身的最大宽度； b为机翼的展长；为机翼的展长； Snet为外露机翼的平面面积；为外露机翼的平面面积； Sgross 为全部机翼平面面积。为全部机翼平面面积。 最大升力系数 （干净构形） max 14 10.064 LregsL CC regs为适航修正参数，按适航取为适航修正参数，按适

6、航取 证时参考的不同失速速度取值。证时参考的不同失速速度取值。 Vs是过载系数小于是过载系数小于1时的失速速度，此时升力系数出现快速减小。时的失速速度，此时升力系数出现快速减小。 按按Vslg取证的机型（如取证的机型（如A300），），regs取值取值0。 按按Vs取证的机型取证的机型regs取值取值1。 失速速度：失速速度： 通常有通常有1-g过载失速速度（过载失速速度（Vslg） 常规失速速度（常规失速速度（Vs）两种。）两种。 增升装置对升力的影响 后缘襟翼产生的升力增量后缘襟翼产生的升力增量 Clmax为增升装置二维剖面的最大升力增量；为增升装置二维剖面的最大升力增量； Sflappe

7、d为流经增升装置的流场所覆盖的机翼面积；为流经增升装置的流场所覆盖的机翼面积； HL为增升装置铰链线的后掠角，在没有详细数据时，对于后缘为增升装置铰链线的后掠角，在没有详细数据时，对于后缘 （前缘）襟翼可以近似使用后缘（前缘）后掠角。（前缘）襟翼可以近似使用后缘（前缘）后掠角。 maxmax /cos LlflappedwHL CCSS 增升装置对升力的影响 增升装置二维剖面最大升力增量的估算增升装置二维剖面最大升力增量的估算 cTE /c为后缘为后缘 缝翼打开后机缝翼打开后机 翼的弦长与原翼的弦长与原 弦长的比例弦长的比例 cLE /c为后缘为后缘 缝翼打开后机缝翼打开后机 翼的弦长与原翼的

8、弦长与原 弦长的比例弦长的比例 增升装置对升力的影响 克鲁格襟翼使用时，不会引起机翼弦长的增加；克鲁格襟翼使用时，不会引起机翼弦长的增加； 前缘缝襟翼打开时，会使机翼弦长增加。前缘缝襟翼打开时，会使机翼弦长增加。 cLE /c为前缘缝翼打开后机翼的弦长与原弦长的比例，为前缘缝翼打开后机翼的弦长与原弦长的比例， 它与机翼外露段的相对展长有一定对应关系。它与机翼外露段的相对展长有一定对应关系。 增升装置对升力的影响 后缘襟翼中，简单襟翼不会引起弦长的增加；后缘襟翼中，简单襟翼不会引起弦长的增加； 富勒式襟翼和带有补偿式铰链轴的襟翼会引起弦长的增富勒式襟翼和带有补偿式铰链轴的襟翼会引起弦长的增 加，

9、其增量与襟翼打开时的偏转角度有一定对应关系。加，其增量与襟翼打开时的偏转角度有一定对应关系。 增升装置对升力的影响 襟翼实际使用时，升力增量的估算值与襟翼偏转角有襟翼实际使用时，升力增量的估算值与襟翼偏转角有 关，可近似表示为下式（二维）：关，可近似表示为下式（二维）： max max ll CC 不同襟翼偏转角下的升力系数增量可以表示为（三维）：不同襟翼偏转角下的升力系数增量可以表示为（三维）： max max /cos LflaplflappedwHL CCSS 增升装置对升力的影响 典型的飞行状态采用的襟翼偏角典型的飞行状态采用的襟翼偏角flap 飞行状态飞行状态 | | 襟翼类型襟翼类

10、型单缝襟翼单缝襟翼双缝双缝/ /富勒式襟翼富勒式襟翼 一般起飞状态一般起飞状态7 71010 最大重量起飞最大重量起飞15152020 着陆状态着陆状态35354545 阻力 阻阻 力力 以下气动估算公式主要适用于运输机以下气动估算公式主要适用于运输机 升致阻力升致阻力 零升阻力零升阻力 跨声速压缩性阻力和超声速波阻跨声速压缩性阻力和超声速波阻 摩擦阻力摩擦阻力 压差阻力压差阻力 干扰阻力干扰阻力 次项阻力次项阻力 配平阻力配平阻力 典型运输机的阻力组成 巡航马赫数巡航马赫数0.78；展弦比；展弦比9.76；后掠角；后掠角25度；巡航升阻比度；巡航升阻比18.2 0.019160.01265

11、0.00186 = 0.00069 CDTOT= 0.03436 CL= 0.625 升致阻力 巡航构型的升致阻力因子巡航构型的升致阻力因子 2 1.05 0.007 D clean LR clean dC K dCA 定义定义 伴随升力产生而引起的阻力伴随升力产生而引起的阻力。 襟翼打开时的升致阻力因子襟翼打开时的升致阻力因子 2 1.050.271 0.0004870.007 D flap LR dC K dCA flap襟翼偏转角度襟翼偏转角度 摩擦阻力 定义定义 由于空气的粘性，空气微团与飞机表面发生摩擦而产生的。由于空气的粘性，空气微团与飞机表面发生摩擦而产生的。 方法方法 基于附面

12、层理论，应用等效长度法确定飞机的摩擦阻力。基于附面层理论，应用等效长度法确定飞机的摩擦阻力。 摩擦阻力系数摩擦阻力系数 2 log1 fturb d b R A c NcM 湍流状态的摩擦阻力系数计算公式为：湍流状态的摩擦阻力系数计算公式为： 摩擦阻力 湍流与层流混合情况下的摩擦阻力系数为：湍流与层流混合情况下的摩擦阻力系数为： 1 T fmffturb b x cc l 摩擦阻力 根据部件叠加的方法，飞机的摩擦阻力系数表示为：根据部件叠加的方法，飞机的摩擦阻力系数表示为： 1 0 I ii fwet i Df W c S C S 压差阻力 定义定义 由流经飞机的气流分离所引起的阻力。由流经飞

13、机的气流分离所引起的阻力。 方法方法 采用部件形状因子的方法，计入压差阻力。采用部件形状因子的方法，计入压差阻力。 机身的压差阻力因子为：机身的压差阻力因子为： K 为机身长细比，即机身长度与机身最大直径之比为机身长细比，即机身长度与机身最大直径之比 。 发动机短舱的压差阻力因子：发动机短舱的压差阻力因子： 10.35/ nac nac nac l F d lnac/dnac发动机短舱的长度与直径之比。发动机短舱的长度与直径之比。 32.1 9.02.21kkFfus 压差阻力 翼面类部件的压差阻力因子与其平均相对厚度及最大厚度位翼面类部件的压差阻力因子与其平均相对厚度及最大厚度位 置的弦向比

14、例有关，还需要考虑飞行马赫数的修正置的弦向比例有关，还需要考虑飞行马赫数的修正. 机翼的压差阻力因子（尾翼类似）机翼的压差阻力因子（尾翼类似）: 40.28 0.18 0.6 1/100/1.34cos / wingm m Ft ct cM x c (t/c) 为翼型的相对厚度；为翼型的相对厚度； (x/c)m为翼型最大厚度处的相对位置为翼型最大厚度处的相对位置; m为最大厚度位置连线的后掠角为最大厚度位置连线的后掠角; M 为飞行马赫数。为飞行马赫数。 干扰阻力 干扰阻力是通过干扰因子干扰阻力是通过干扰因子Q来计入的。来计入的。 机身与机翼机身与机翼 对于翼身融合良好的中单翼、下单翼布局，对

15、于翼身融合良好的中单翼、下单翼布局，Q=1.0； 没有整流的机翼，没有整流的机翼，Q=1.1 1.4， 常规设计中，常规设计中，Q的取值范围一般在的取值范围一般在1.0 1.2之间；之间； 平尾和垂尾平尾和垂尾 Q=1.2； 发动机短舱发动机短舱 翼吊布局：翼吊布局：Q可以取可以取1.05 尾吊布局：干扰阻力应再取高出尾吊布局：干扰阻力应再取高出20%，即，即1.26。 各部件的零升阻力系数 飞机各部件的废阻系数为：飞机各部件的废阻系数为： 表面摩擦系数、压差阻力因子、干扰阻力因子乘以表面摩擦系数、压差阻力因子、干扰阻力因子乘以 部件湿面积与机翼参考面积之比。部件湿面积与机翼参考面积之比。 第

16、第i个部件废阻系数的计算公式为：个部件废阻系数的计算公式为： , 0c wet c Dfccc w S Cc FQ S 其中：其中：Swet,c为第为第i个部件湿面积；个部件湿面积； Sw为机翼参考面积。为机翼参考面积。 次项阻力 次项阻力是由于附着物、表面缺陷及系统附件次项阻力是由于附着物、表面缺陷及系统附件 安装引起的。安装引起的。 机翼次项阻力：机翼型阻的机翼次项阻力：机翼型阻的6% 机身和尾翼次项阻力：机身型阻的机身和尾翼次项阻力：机身型阻的7% 发动机安装次项阻力：短舱型阻的发动机安装次项阻力：短舱型阻的15% 系统次项阻力：总型阻的系统次项阻力：总型阻的3% 驾驶舱风挡：驾驶舱风挡

17、：2% 3%的机身阻力的机身阻力 零升阻力 总零升阻力各部件废阻之和次项阻力总零升阻力各部件废阻之和次项阻力 配平阻力 配平阻力是由于平尾或鸭翼为产生配平力矩而的升力而配平阻力是由于平尾或鸭翼为产生配平力矩而的升力而 引起的阻力，包括升致诱导阻力和型阻两部分。引起的阻力，包括升致诱导阻力和型阻两部分。 现代运输机配平阻力一般占总阻力的现代运输机配平阻力一般占总阻力的2或更少。或更少。 压缩性阻力 飞机在跨声速区飞行时，当飞机的飞行速度超过临界马赫飞机在跨声速区飞行时，当飞机的飞行速度超过临界马赫 数数Mcr时，机翼上出现局部超过声速的气流，会产生跨声时，机翼上出现局部超过声速的气流，会产生跨声

18、 速压缩性阻力，使阻力增大。速压缩性阻力，使阻力增大。 压缩性阻力 影响影响压缩性阻力的因素压缩性阻力的因素 飞行时的升力系数飞行时的升力系数 马赫数马赫数 机翼设计的技术水平。设计水平高的机翼，会延缓机翼气流出机翼设计的技术水平。设计水平高的机翼，会延缓机翼气流出 现超声速的过程，提高阻力发散马赫数现超声速的过程，提高阻力发散马赫数MDD。 压缩性阻力 3/2 2 / 11 cos10 coscos mL DDREF QchdQchdQchd t c C MM 阻力发散马赫数阻力发散马赫数MDD计算公式：计算公式： MREF为翼形设计的技术水平因子，通常取值在为翼形设计的技术水平因子，通常取

19、值在0.850.935之间。之间。 跨声速压缩性阻力的计算公式：跨声速压缩性阻力的计算公式： 1 n DD DcompDD MM CC M 低速构形的附加形阻 低速状态下，起落架放下引起的阻力增量：低速状态下，起落架放下引起的阻力增量： WL为飞机最大起飞重量，单位为飞机最大起飞重量，单位lb； SW 为机翼参考面积，单位为机翼参考面积，单位ft2 0.73 lg 0.00157/ DLw CWS 0.73 lg 0.00093/ DLw CWS 多轮小车式多轮小车式 双轮式双轮式 低速构形的附加形阻 增升装置的阻力取决于增升装置的类型。增升装置的阻力取决于增升装置的类型。 影响襟翼阻力增量的

20、参数还有襟翼偏角、机翼面积延伸比例和后掠角等。影响襟翼阻力增量的参数还有襟翼偏角、机翼面积延伸比例和后掠角等。 机翼面积的延伸比例为襟翼打开时机翼总面积（含前、后缘襟翼增加的机翼面积的延伸比例为襟翼打开时机翼总面积（含前、后缘襟翼增加的 面积）与原机翼参考面积的比例。面积）与原机翼参考面积的比例。 根据襟翼打开时机翼弦长的延伸比例及襟翼的展向站位可以估算出机翼根据襟翼打开时机翼弦长的延伸比例及襟翼的展向站位可以估算出机翼 面积延伸比例。面积延伸比例。 低速构形的附加形阻 襟翼偏角襟翼偏角、机翼面积延伸比、机翼面积延伸比SR和后掠角和后掠角之间有一定的统计关系。之间有一定的统计关系。 在速度不同

21、时，参数之间的统计关系略有不同，根据下图，可以分别在速度不同时，参数之间的统计关系略有不同，根据下图，可以分别 用于起飞用于起飞1.2VS和着陆和着陆1.3VS不同速度状态下的阻力增量估算。不同速度状态下的阻力增量估算。 襟翼阻力的估算（襟翼阻力的估算（1.2VS） 襟翼阻力的估算（襟翼阻力的估算（1.3VS） 单发失效引起的额外阻力 0.3 f D W A C S 发动机气流堵塞而增加的阻力（风车阻力）。发动机气流堵塞而增加的阻力（风车阻力）。 估算公式：估算公式： Af 风扇横截面积风扇横截面积 SW 机翼参考面积机翼参考面积 为配平飞机的飞行状态而增加的额外阻力。为配平飞机的飞行状态而增

22、加的额外阻力。 近似估算：零升阻力的近似估算：零升阻力的5。 总阻力计算 巡航构形巡航构形 0,DDDiDcompD trim CCCCC 总阻力总阻力 零升阻力零升阻力 升致阻力升致阻力 压缩性阻力压缩性阻力 配平阻力配平阻力 起飞起飞/着陆构形着陆构形 总阻力总阻力 零升阻力零升阻力 升致阻力升致阻力 配平阻力配平阻力 起落架放下起落架放下 引起的阻力增量引起的阻力增量 襟翼放下引起的阻力增量襟翼放下引起的阻力增量 00,DDDiD LGDflapD trim CCCCCC 总阻力计算 第二阶段爬升构型（单发失效）第二阶段爬升构型（单发失效） 总阻力总阻力 零升阻力零升阻力 升致阻力升致阻

23、力 配平阻力配平阻力 襟翼放（起飞位置）下引起的阻力增量襟翼放（起飞位置）下引起的阻力增量 单发失效引起的阻力增量单发失效引起的阻力增量 部件的湿润面积的计算 对于机翼和尾翼：对于机翼和尾翼： 如果如果 (t/c) 0.05; Swet = 2.0003S外露 外露 如果如果 (t/c) 0.05; Swet = S外露 外露1.977 + 0.52(t/c) 对于机身、短舱和外挂：对于机身、短舱和外挂： Swet = K( A俯 俯 + A侧侧)/2 其中：其中：K = （对于椭圆截面）；（对于椭圆截面）； K = 4 （对于方形截面）（对于方形截面） A俯 俯 俯视图面积 俯视图面积 A侧

24、 侧俯视图面积 俯视图面积 抖振边界 抖振现象抖振现象 对于高亚声速（跨声速）飞机，当升力系数和飞行马赫数达到一对于高亚声速（跨声速）飞机，当升力系数和飞行马赫数达到一 定值时，会发生明显的气流分离现象，导致机体和操纵面抖振。定值时，会发生明显的气流分离现象，导致机体和操纵面抖振。 抖振边界抖振边界 将升力系数和将升力系数和M数分为二个区域：抖振区和无抖振区。数分为二个区域：抖振区和无抖振区。 导致抖振的条件 当升力系数接近飞机最大升力系数当升力系数接近飞机最大升力系数CLmax ，机翼上表面，机翼上表面 的气流发生分离。的气流发生分离。 当飞行速度超过阻力发散马赫数当飞行速度超过阻力发散马赫数MDD，此时机翼上的，此时机翼上的 激波会引起不稳定的气流，导致气流分离。激波会引起不稳定的气流，导致气流分离。 当当CL增加到一定值后，有气流分离。增加到一定值后，有气流分