张东升 魏江鹏 文程祥

摘 要： 运用Solidworks对某规格的前掠翼、平直翼和后掠翼进行三维建模，利用CFD软件，采用三维N?S方程及Spalart?Allmaras涡粘湍流模型对前掠翼、平直翼和后掠翼的空气动力学特性进行研究，每间隔2°计算迎角从0°～38°时的不同情况，对比分析各自的优势和不足，最后给出结论，为低速小型无人机的机翼布局选型提供了理论依据。计算结果表明低速飞行下平直翼布局升力系数较大，没有气流分离的情况，这种布局较为合理。

关键词： 前掠翼； 平直翼； 后掠翼； 气动分析； 失速； Solidworks

中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）08?0147?04

Abstract： Solidworks is used to build 3D models for forward swept wing， straight wing and backward swept wing of a certain specification. The CFD software， three dimensional N?S equation and Spalart?Allmaras eddy viscosity turbulence model are adopted to study the aerodynamic characteristics of forward swept wing， straight wing and backward swept wing. Angles of attack from 0° to 38° are calculated at an interval of every 2°， whose advantages and disadvantages are contrasted and analyzed so that the conclusion can be finally drawn to provide a theoretical basis for wing layout selection of a low?speed small UAV. The calculation results show that the lift coefficient of straight wing layout is larger at a low speed flight as there exists no air separation， and the straight wing layout is more reasonable.

Keywords： forward swept wing； straight wing； backward swept wing； aerodynamic analysis； stall； Solidworks

无人机可完成某些载人飞机无法完成的特殊任务，使得无人机的发展受到空前的关注，各个国家纷纷投入大量资源研制新型多功能无人机 [1?3]。对于小型无人机等低速飞行的飞行器而言，机翼布局是一项值得研究的课题。现设计一款小型倾转旋翼无人机，同时具有旋翼与固定翼，为了确定固定翼布局，利用Fluent对不同机翼进行空气动力学仿真，进一步探讨机翼布局气动特性[4?6]，通过对比结果选出合适的机翼布局。NACA翼型有着良好的升力特性[7]，本文将对基于NACA4415翼型的前掠翼、平直翼与后掠翼进行升力特性对比，给出小型无人机机翼布局的设计参考，翼型如图1所示。

1 模型的建立与网格划分

机翼翼展均为1 600 mm，现取半个机翼进行流体计算。翼根部弦长300 mm，翼尖部弦长200 mm，前掠翼前缘前掠角为17°，后掠翼前缘后掠角为7°。计算区域采用Gambit划分的非结构网格，划分网格时进行了区域加密，对机翼周围流场的网格进一步加密。图2为网格放大示意图。

计算域的边界包括来流入口、来流出口、翼型固壁、Interior和固壁边界。计算域前部外边界长度为机翼最大弦长的10倍，后部外边界长度为最大弦长的20倍，厚度边界为机翼最大厚度的20倍，轴向边界为翼长的10倍。计算采用的边界条件：固壁表面为无滑移条件[8]、进口设置为pressure_far_field、出口设置为presssure_outlet、计算边界由差值确定。

計算残差收敛精度为10-3，来流马赫数设置为0.08，雷诺数设置为4.997×105。计算基于RANS方法，采用二阶迎风格式作为空间离散格式，采用的隐式解法为二维稳态分离解法，采用SIMPLE解法求解压力?速度耦合[9?15]。

2 计算结果分析

气动性能的计算结果随着迎角的增加如图3所示。

三种翼型的升力系数CL有着微小的的差距，整体趋势相同，先增长再下降；三种翼型的阻力系数CD几乎没有差别，随着迎角的增加持续增加。相同升力系数下，低于失速迎角，前掠翼阻力系数最大；高于失速迎角，前掠翼阻力系数最小，平直翼与后掠翼升阻比相似。

2.1 压力分析

图4为22°迎角下三种翼型在z方向不同位置翼剖面的上下表面静压分布曲线。由图可以看出：在翼根z=50处，后掠翼上翼面吸力比前掠翼和平直翼稍大；在翼尖z=750处，则是前掠翼的吸力比较大。这是由于三种翼型气流展向速度方向不一致，导致附面层在不同的位置堆积，产生气流分离引起的差异。

2.2 切应力分析

分析附面层气流分离机理可知，越大的逆压梯度，附面层分离越严重。此时壁面切应力消失的点就是分离点，可以通过壁面切应力的x分量是否为负来判断。

图5为三种翼型的三个z方向剖面壁面切应力的x分量分布图。由图可以看出，平直翼没有出现x分量为负值的情况，即没有出现附面层分离现象，而前掠翼和后掠翼在翼身z=400剖面上出现了x分量为负的情况，说明上吸力面出现轻微的气流分离情况。

2.3 失速分析

由图3a）可见，当此款前掠翼的来流迎角处于0°～22°区间内时，翼型的升力系数一直增大，这是随着翼型迎角的增大，翼型下表面受力增大，而上表面受力变小导致的；当翼型来流迎角在22°之后，翼型的升力系数减小，这是由于22°为此规格翼型的失速迎角，当来流迎角大于22°时，翼型上表面气流脱离形成分离涡，引起翼型升力减小。同时由图3a）可以看出平直翼的失速迎角为22°，后掠翼的时速迎角也为22°。计算结果与三种翼型的空气动力学特性曲线吻合。

3 结 论

本文通过数值计算的方法，对机翼的三种布局，即前掠翼布局、平直翼布局和后掠翼布局的气动特性进行计算。分析三种机翼的气动特性与流动机理，对机翼流场进行研究之后可知：

1） 在低速飞行状态下，平直翼与后掠翼的升力系数相似，比前掠翼稍大，在0°迎角下三种翼型升力系数相似，随着迎角增大，平直翼与后掠翼的升力系数曲线贴合，始终大于前掠翼。

2） 三种翼型的时速迎角相同，均为22°，符合机翼迎角范围。

3） 平直翼升力系数与后掠翼近似，但平直翼沒有气流分离情况，平直翼布局更适合文中小型无人机。

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