Aa-模型飛機(jī)阻力板設(shè)計

1、第二十一屆“馮如杯”學(xué)生學(xué)術(shù) 科技作品競賽項目論文 模型飛機(jī)阻力板設(shè)計 項目編號 院（系）名稱 航空科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)名稱 飛行器設(shè)計與工程 學(xué) 號 39055208 學(xué)生姓名 張子旭 指導(dǎo)教師 萬志弓雖 2011 年4月 3 日模型飛機(jī)阻力板設(shè)計 第一作者：張子旭 39055208 第二作者：閔強(qiáng) 38050327 模型飛機(jī)阻力板設(shè)計 摘要： 飛機(jī)阻力板設(shè)計需要十分精心。模型飛機(jī)雖然不像全尺寸飛機(jī)一樣對阻力板的設(shè)計 有苛刻的要求，也需要相當(dāng)?shù)脑O(shè)計水準(zhǔn)。為了達(dá)到設(shè)計要求，我們采用了 cfd手段來 指導(dǎo)設(shè)計，最終通過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計的可行。 關(guān)鍵詞： 阻力板，cfd,飛行實(shí)驗(yàn)。 abstract

2、: the design of a resistance board is a job needs carefully calculate. when it comes to model planes, although the requirements are much lower, it still a hard work. to meet the design requirements, cfd was used as a method to guide our design. the feasibility of our design was finally confirmed by

3、an experiment.目錄 1. 引言 . 1 2. 起始設(shè)計要求 . 1 3. 設(shè)計方案確定 . 1 4. 設(shè)計計算 . 2 5. 具體設(shè)計 . 5 6. 結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 14 7 飛行記錄及分析 . 16 8. 結(jié)論. 19 9. 致謝. 19 10. 參考文獻(xiàn) . 191引言 一般來說，總是希望飛機(jī)的升阻比越高越好。但是，如果升阻比過高，飛機(jī)的減速 性能又不好，在很多吋候，尤其是降落吋會因?yàn)闇p速過慢遇到很多麻煩。所以需要一些 手段來改善飛機(jī)的減速性能。這種裝置一般有阻力板、減速傘、反推力裝置等等。 阻力板是增加阻力的有效手段，但是設(shè)計阻力板有很多要求。應(yīng)用 cfd 可以指導(dǎo) 設(shè)計這種

4、有詳細(xì)要求的部件。 2. 起始設(shè)計要求 打開阻力板后，阻力應(yīng)占全機(jī)阻力的 70%以上； 打開阻力板后，不能產(chǎn)生附加的低頭力矩； 打開阻力板后，飛機(jī)不得產(chǎn)生振蕩； 打開阻力板的較鏈力矩不得大于 3kg*cm； 結(jié)構(gòu)重量越輕越好。 3. 設(shè)計方案確定 3.1 設(shè)計思想 一般情況下，飛機(jī)阻力板的設(shè)計位置是在機(jī)身上或上翼面上。在機(jī)身上設(shè)計阻力板 的飛機(jī)一般機(jī)身比較寬大，表面平坦，可以容納大面積的阻力板結(jié)構(gòu)。在上翼面設(shè)計阻 力板的飛機(jī)一般是民用大型飛機(jī)，機(jī)身沒有合適的位置，打開阻力板后的力矩等氣動力 需要仔細(xì)計算。 對于模型飛機(jī)， 由于雷諾數(shù)小， 飛機(jī)的零升阻力系數(shù)往往比全尺寸的低速飛機(jī)大很 多。這樣，

5、想要達(dá)到相同的阻力效率（占全機(jī)阻力的 70%以上）就需要更大面積的阻力 板。這樣一般尺寸的模型飛機(jī)機(jī)身就無法容納如此大面積的阻力板。而如果設(shè)計在上翼 面，就需要加強(qiáng)整個阻力板區(qū)的上翼面的結(jié)構(gòu)，由此帶來的重量增加對于尺寸很小的模 型飛機(jī)來說是不可接受的。 模型飛機(jī)機(jī)翼一般采用梁式結(jié)構(gòu)，前后一梁一墻。如果能利用已有結(jié)構(gòu)就可以大幅 降低結(jié)構(gòu)重量。一般情況下模型飛機(jī)是不設(shè)計襟翼的，所以如果將阻力板設(shè)計在襟翼位 置，就可以利用后墻的結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)重量。 而如果設(shè)計在襟翼位置，要滿足所有條件，最優(yōu)的方式是做氣動補(bǔ)償。通過補(bǔ)償部 分產(chǎn)生的氣動力，平衡一部分錢鏈力矩，同時補(bǔ)償?shù)皖^力矩。 想要一次精確設(shè)計出符合

6、要求的阻力板不太現(xiàn)實(shí)，但是我們沒有多次實(shí)驗(yàn)的條件和 時間。因此首先依據(jù)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次近似，z后釆用計算流體力學(xué)方法進(jìn)行驗(yàn) 證，是一種低成本、快速、方便的設(shè)計方法，特別適合于這種設(shè)計。 補(bǔ)償?shù)男问胶芏?，但是?nèi)補(bǔ)償方式不能補(bǔ)償?shù)皖^力矩，所以采用了轉(zhuǎn)軸補(bǔ)償。 4. 設(shè)計計算 4.1 工作狀態(tài)的確定 使用的飛機(jī)為一架空重 3kg的大型模型飛機(jī)。飛機(jī)翼面積 1.96m2,翼展 4.6m,展 弦比10.79。 設(shè)計工作速度為 10m/s4.5m/s,計算得升力系數(shù)為 0.241.21。翼型的升力線斜率為 0.100811,做展弦比修止后得機(jī)翼的升力線斜率為 0.086126o翼型零升迎角為7。，則

7、工 作迎角范圍為-7+0.24/0.100811 =-4.619 m-7+1.21/0.100811 =5.002 o 4.2 數(shù)據(jù)分析 由于缺少使用的翼型的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們使用了 profili 軟件繪制了所使用的翼型 mh115 的 cp 曲線： 圖1 45。迎角下的cp曲線圖 圖2 5。迎角下的cp曲線圖 空氣動力與動壓頭成正比，因此從 cp 曲線上即可得到 q。阻力是與 q 成正比的, 所以由 cp 的變化即可對打開阻力板吋產(chǎn)生的阻力有一個近似的認(rèn)識。由于沒有計及打 開阻力板時阻力板對主翼面氣流的影響，這種認(rèn)識相當(dāng)粗略，但是可以作為一個初始值 進(jìn)行設(shè)計。 從圖中可以看出，4.5。迎角

8、狀態(tài)下（對應(yīng) 10m/s 空速），75%弦長處的 cp 為上翼而 -0.35,下翼面 0.2。將 cp 定義式變形，得 cp = l 再變形得二丑。由此可 得憲噹如果上下兩部分的阻力系數(shù)相等， 則氣動力的比值為憲弋。 想要完全 補(bǔ)償較鏈力矩，此值應(yīng)為 1。由此得到的補(bǔ)償部分和普通部分的比值為 0.8/1.35=0.593。 相似地，可以求出在 5。迎角下（對應(yīng) 4.5m/s 空速），75%弦長處的 cp 為上翼面 046, 下翼面 0.32,補(bǔ)償部分和普通部分的比值為 0.68/1.46 二 0.466。 因?yàn)橄Ｍa(bǔ)償后舵面仍為正操縱，即較鏈力矩趨向于使阻力板閉合，所以取較低的 upper p

9、art lower part mh 115 re = 500000 mach=0.0000 mcrit=9.00 cp vs x (pressure coefficient) for alpha = 5.0 degrees 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 page 31 of 41 drawn by profili 2.21 pro on data processed by xfoil copyright (c) 1995-2007 - all rights rese

10、rved. 比值 0.466,圓整為 0.5 進(jìn)行設(shè)計。也即補(bǔ)償部分占總阻力板弦長的 1/3。 5. 具體設(shè)計 5.1 設(shè)計圖與說明 圖3減速板全開示意圖 圖4減速板閉合示意圖 上圖為減速板全開的示意圖，下圖為減速板閉合的示意圖。全開時開角為 85%示 意圖中的減速板除能正開 85。之外，述能反開 10。，充當(dāng)變機(jī)翼彎度的部件。 5.2 cfd 分析 由于前面的計算用到的假設(shè)與現(xiàn)實(shí)情況的差異不明，所以必須進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 是最準(zhǔn)確的、最可信的方法，但是我們沒有足夠的時間和資金。流體力學(xué)發(fā)展至今日， 除去理論流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，三大支柱中還有計算流體力學(xué)。在現(xiàn)在這種情況下, 計算流體力學(xué)在

11、研究屮的優(yōu)勢凸顯，因此我們采用了計算流體力學(xué)的方法對前面的設(shè)計 進(jìn)行了分析。 在分析中我們使用了商業(yè) cfd 軟件 fluent （版木 6.3.26）。同時使用的周邊軟件 有 gambit （版本 2.3.16）, exceed 10,還有 autocad2010 作為繪圖軟件。 下面就整個計算過程詳細(xì)說明。 1 計算區(qū)域的建立 首先由 profili 導(dǎo)出翼型的 dxf 文件，在 autocad2010 中進(jìn)行設(shè)計制圖。將完成后 的設(shè)計圖中的全部封閉線框轉(zhuǎn)為平面后，導(dǎo)出 sat 文件。啟動 exceed,再啟動 gambito 導(dǎo)入 sat文件，將上表面、下表面轉(zhuǎn)為 2 條多段線以便進(jìn)行分

12、析。接下來繪制一個方框, 翼型到方框邊的距離遠(yuǎn)大于翼型本身的線度。將翼型面從方框面中減去，即得計算區(qū)域。 2 離散化 計算區(qū)域相對來說還是比較規(guī)則的，離散化可以選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的 計算精度確實(shí)略優(yōu)于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。但是由于減速板處尖角較多，選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格必須 將計算區(qū)域劃成很多小片，工作量很大，而且如果劃分不得當(dāng)會造成很多不必要的麻煩。 而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在選擇計算模型時選擇二階迎風(fēng)格式即可以保證滿足一般精度要求，劃 分網(wǎng)格也比較快，所以選擇了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。 網(wǎng)格在速度梯度較大的地方應(yīng)該較密以提高計算精度，所以在網(wǎng)格劃分的過程中， 有幾個位置是細(xì)化的：一是前緣點(diǎn)附近，二是減速板的邊緣，三

13、是減速板和主翼面之間 的凹陷區(qū)。這樣配置相對來說是比較合理的。 最后劃分的網(wǎng)格如下圖： 圖5計算網(wǎng)格（只顯示翼型附近） 3 邊界條件 畫出的大方框就是模擬的二維風(fēng)洞試驗(yàn)段，因此邊界條件為：前方 velocity-inlet, 上方wall,后方 out-flow,下方 wallo翼型上下表面為 wall。 4 計算參量的選擇 將 msh 文件導(dǎo)入 fluent,檢查過網(wǎng)格后開始設(shè)置計算參數(shù)。 求解器設(shè)置： 圖6求解器設(shè)置 由于是低速，壓縮性不顯著，選擇壓力基求解器求解；計算空間為二維；選擇格林 高斯節(jié)點(diǎn)算法，以提高力的計算精度；由于預(yù)計會有渦的產(chǎn)生和脫落，計算的是非定常 流，非定常計算方程選擇

14、二階隱式。 湍流模型設(shè)置 圖7湍流模型設(shè)置 由于雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)， 選擇了 sa方程模型。 一般來說這種模型對氣動力的 計算精度比較讓人滿意，方程數(shù)也少，易于計算。松弛系數(shù)不作改動。 監(jiān)控設(shè)置 由于不會存在某些速度變化很大的點(diǎn)，所以沒有設(shè)置表面點(diǎn)監(jiān)控。打開的監(jiān)控只有 殘差和氣動力監(jiān)控。 初始化 用入口邊界條件初始化。 計算設(shè)置 沒有設(shè)置收斂的判定，因?yàn)檎鹗幍目赡苄院艽?。其余設(shè)置如下： 廠 max iterations per time step m iterate udf profile update interval i10 1 i1 reporting interval iterate

15、 apply close ：圖8迭代設(shè)置 計算結(jié)果 圖10 cd計算圖 進(jìn)行后處理的結(jié)果如下圖:計算得到了一個震蕩的結(jié)果，呈現(xiàn)明顯的周期性。 fluent (0) fluent inc 226e03 2 17e*03 2 10e+03 2 03e+03 1.96e+03 1 90e+03 1 83e+03 1.76e+03 1.69e+03 1.63e*03 1.56e*03 1 49103 142103 1 35e*03 1 29e+03 1 22e+03 1 15e+03 1 08e+03 1 02c+03 9.48e+02 8.80e*02 8.13e*02 7.45e*02 &

16、 77102 6 10e02 5 42e*02 4 74e+02 4 06e02 3 39e+02 2 71c+02 2 03e+02 1.356+02 6.77e+01 8.25e-04 渦量云圖。從圖中可以看到，后部產(chǎn)生了一列渦街。由計算中的震蕩知，這列渦是 穩(wěn)定的。 pfiuent 0 fluem 4.446-01 1.62e-01 -5.03e-02 -2.62e-01 -4 74e-o1 -6 86e-01 -8.98e-01 -1 11e*00 -1 32e*00 1 53c+00 -1 75e+oo -1.96e+00 -2.17e+00 -2.38e+00 -2.59e*00

17、-281e+00 3 02300 -3.23e*00 344x00 -365e*00 387100 -4 08g+00 -4 29e+00 -4.50e+00 -4.71e+00 -4 93e+00 5 14e“00 -5.35e+00 -5.56e*00 5.77x00 -5.99e*00 -6 20e*00 -641e*00 -662e+00 圖14壓力系數(shù)云圖壓力系數(shù)云圖?？梢杂^察到阻力板前方的高壓區(qū)和后方的渦。 氣動力的計算結(jié)果在 cd-history, cl-history, cm-history屮可以找到。阻力的計算結(jié) 果在一個周期內(nèi)平均約為 0.25,相對于開阻力板之前的 0.0

18、0886,增長了 300 多倍。俯 仰力矩的平均值約為-0.080,與之前得到的數(shù)據(jù)-0.0826 相差約 6.24%,而且是偏向于抬 頭的力矩，很讓人滿意。 附圖：減速板閉合的翼型計算結(jié)果（壓力系數(shù)云圖） 舟 fluent (0) fluent inc 7.85e-0i 7.16e-01 6 64e-01 6 12e-01 5 60e-01 5 08e-01 4 56e-01 4 04e-01 3 52c 01 3.01 e-01 2.49e-01 1.97e-01 1.45e-01 9.31e-02 4.12e-02 -1.06e-02 6 25 02 -1 14e-01 -1 66e-0

19、1 -2 18e-01 -2./0e-01 -3.22e-01 -3.74e-01 -4.26e-01 -4.78e-01 -5.29e-01 -5 81 e-01 -6 33e-01 -6 85g-01 7 3701 -7 89101 -841e-01 -893e-01 -9 44e-01 apr 06, 2011 fluent 6.3 (2d, pbns, s-a) 圖15減速板閉合狀態(tài)下的壓力系數(shù)云圖 6 結(jié)構(gòu)設(shè)計 為了盡可能使結(jié)構(gòu)更輕，設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)形式的阻力板。一種是梁式的，在轉(zhuǎn)軸處 有一道很粗的空心梁，兩邊是肋。這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，剛度好，受力合理，但是重量比較 大。另-種是無梁結(jié)構(gòu)，

20、只有一道檣，板面是平面桁架式的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)受力并不十 分合理，但是在達(dá)到同樣剛度的狀態(tài)下遠(yuǎn)比梁式的要輕。這兩種結(jié)構(gòu)的減速板分別布置 在左右兩側(cè)的位置上，這樣在試驗(yàn)中就可以對比這兩種結(jié)構(gòu)，以選定最優(yōu)者。 控制采用伺服器直接通過連桿帶動。 附圖：contours of pressure coefficient 圖16梁式結(jié)構(gòu)的阻力板 圖17無梁結(jié)構(gòu)的阻力板 7.飛行記錄及分析 利用 eagle tree 飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，我們對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。記錄的主 要是空速，氣壓高度和 gps數(shù)據(jù)。 custom usb cable software cd y-harness pro flight

21、 data recorder onboard tran smitter brass pitot & static tube with extensions battery backup harn ess hand held receiver cylinder head temperature probe ull s 圖18 eagle tree飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) 以下是某次開減速板降落的飛行數(shù)據(jù): wndows applicatkxi version 8.31 圖19降落時打開減速板的飛行數(shù)據(jù)記錄表。橫軸為時間。 圖屮綠色為氣壓高度，紅色為 gps速度，藍(lán)色為空速。從圖屮可以看到，在飛機(jī)

22、 離地5m處減速板打開時，飛機(jī)的空速和 gps 速度都出現(xiàn)了明顯的下降，可見減速板打 開的效果是很明顯的。作為對比，以下是降落時沒有打開減速板的圖表： x axis iftft y axs right y axis sessions cursor 60 5c 56 m 52 50 e 46 42 40 38 38 34 32 o 30 | 28 代26 24 : 18 16 12 10 x axs iftfr y axs right y axts sessions cursor 0.7 伍程c fdr scs8 ltve mode re 03 0.35 0.4 0.45 0.5 055 06

23、065 ymu 血(s也rl = 0 oop .end = 0 937 *281=0937) 706866 60$85654$2504846“428383634323028262422201816 asdo .is 90 85 80 75 70 w 60 55 50 4s & 40 35 (lrve mode re 0.7s k mno 10 (c) 2003-2010 ege tf94 syxems. llc 恤伽 砂喚$沖耐 com wr弟5 8 3 f live lod melp | | do” i ckart !kest defvilts ! 1.- . j liv* “d h mlp | | do” $ 2003-2010 臼咲 tree systems llc wrdows applic