动态地面效应气动特性及流动机理研究

During take-off and landing, the distance between an aircraft and the ground continuously changes, therefore the influence of dynamic ground effect on aerodynamic performances of the aircraft is significant. In the past, one generally treated dynamic ground effect as quasi-steady static ground effect. New studies show that dynamic ground effect could be approximately treated as quasi-steady only when the climbing and sinking rates are very small. In general, the lift in dynamic ground effect is much larger than that in static ground effect. The aerodynamic performance and flow mechanism of airfoils and wings in static ground effect are completely understood. However, the flow mechanism of airfoils and wings in dynamic ground effect isn't clear. To solve this problem, we will use CFD numerical method to study the aerodynamics and flow pattern of a single-element airfoil, a multi-element airfoil and a single-element wing in dynamic ground effect. In the chord dominated dynamic ground effect, the evolution of the composite flow, which is formed from the downwash flow due to an airfoil/wing moving and the uniform coming flow, will be analyzed in details to reveal the nonlinear coupling mechanism between the incidence effect and static ground effect. In the span dominated dynamic ground effect, the evolutions of the wingtip vortices and the second vortices are studied to seek the flow mechanism of the change of the induced drag.

飞机起飞着陆过程中，距离地面的高度时刻发生变化，气动性能受到动态地面效应的影响。过去人们普遍将动态地面效应作为准静态地面效应处理，近期研究表明，只有当爬升率和下降率十分微小的情况下，才可以近似地将动态地面效应作为准静态处理，通常情况下动态地面效应的升力远大于静态地面效应的升力。目前人们已经基本掌握了静态地面效应的气动力规律和流动机理，但对于动态地面效应尚缺乏系统深入的认识。鉴于此，本项目采用CFD数值模拟方法开展二维弦向和三维展向动态地面效应的气动性能和流动机理研究。对于二维弦向动态地面效应，通过分析合成流动（翼型驱动的上/下洗流与远前方来流合成）的流动结构的演变规律，揭示气动力中迎角效应和静态地面效应非线性耦合现象的流动机理；对于三维展向动态地面效应，通过分析翼尖涡及其在地面附近诱导的二次涡的演变规律，获得诱导阻力变化的流动机理。

起飞着陆过程中，飞机距离地面的高度时刻发生变化，气动力和流场结构呈现出明显的非定常特性，这种现象被称为动态地面效应，其对飞机的安全起降具有重要意义。本项目采用CFD数值模拟方法研究动态地面效应，采用动网格技术处理翼型/机翼与地面之间的相对运动，分别研究了NACA4412单段翼型和30P30N三段翼型的弦向动态地面效应、单段三维矩形机翼的展向动态地面效应。在常下滑角着陆的弦向动态地面效应中，根据升力随飞行高度的变化规律，可将其分为三个区：在较大高度，升力不随高度减小而变化，动态地效的升力和迎角修正后静态地效的升力完全一致，此时地面效应不发生作用，下沉运动引起的迎角修正效应是影响气动力的主要因素；在中等高度，升力随高度减小而逐渐增加，动态地效的升力和迎角修正后静态地效的升力基本一致，此时静态地面效应和迎角修正效应共同作为影响气动力的主要因素；在较小高度，升力随高度减小而迅速增加，且动态地效的升力明显大于迎角修正后静态地效的升力，此时除上述两种因素外，压缩功效应已经成为影响气动力的最重要因素。压缩功效应是指当飞行高度较小时，翼型下沉过程中其下表面驱动的下洗流动没有足够的空间发展，因此受到压缩静压增加的效应。在常下滑角着陆的展向动态地面效应中，随着飞行高度降低，三维机翼的升力增大，阻力减小，升阻比减小；对于较小的下滑角，飞行高度较大时，动态升力与经过迎角修正的静态升力几乎一致，当飞行高度减小到很小值时，动态升力逐渐大于静态值；对于较大的下滑角，在较大高度下动态升力就开始明显大于静态值。由于翼尖涡运动的迟滞效应（即翼尖涡沿着纵向的向下速度小于机翼的运动速度），导致在相同的飞行高度下，翼尖涡在纵向方向上要明显高于静态地效，因此没有在地面上诱导出二次涡；由于动态地效中翼尖涡距离地面较远，受到地面镜像的影响较小，因此其在展向方向上位于静态翼尖涡的内侧。