大型飞机机身垂直入水冲击特性数值研究

０ 引言
大型 飞机 水上 迫降 性能 的研 究 离不 开 对物 体 入 水过 程 的研 究 。在 飞 机 入 水 的过 程 中 ，会 有很 大 的冲击 载荷 和 冲击 压 强 出现 在 结 构 上 ，同时 后 机 身 出现 很 大 的 吸 力 导 致 飞 机 出 现 大 幅 度 的 抬 头 。 后 机 身 的吸 力 主 要 是 由于 飞 机 水 平 方 向 的运 动 引
ｓｈａｒｐｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｅｎｔｒｙ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｅａｓｅｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ． Ｉｎ ｔｈｅ ｌａｔｅ ｓｔａｇｅ，ｔｈｅ ｗｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｍｐａｃｔ
ｏｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｃａｎ ｏｎｃｅ ａｇａｉｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｓｈａｒｐ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃｈａｎ ｇｅ ｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｉａｒ－
［基 金项 目］本 文受国家 自然科 学基金 （１１５０２０１２、１１７７２０３３）支持 。
于水 面 的运动 。结 果分 析表 明 ：机身部 ，随后 转 移 至机 身 底 部 ；入水 初 期 机身 冲击 力 系数迅 速增 大 ，而后 略有 回落 ，入 水 后 期 由于 中央翼 盒 冲击 水 面会 导 致 冲击 力 系 数 再 次迅
摘 要 ： 针对带有中央翼盒的某型飞机的机身，数值研究 了不同入水速度 、姿态角和尾翘 角对入水过程 中机身压强
和冲击力的影响规律。数值模拟 中，控制方程选为非定常可压缩流动的雷诺时均 Ｎａｖｉｅｒ—ｔｏｋｅｓ方程（ＲＡＮＳ） 和实 现 的 ｋ—ｓ模 型 ，使用体 积 分数 （ＶＯＦ）方法 捕捉 水 气交 界 面 的变化 ，采用 整体 动 网格技 术 来模 拟 机身 相对
速增 大 ，而后 小 幅震 荡 。速 度越 大 、姿 态角 越 大 、尾 翘 角越小 ，机身 冲击 力 系数越 小 。 关键 词 ：入 水 冲击 ；机身 尾翘 角 ；冲击 力 ；冲击压 强
中 图分 类号 ：Ｖ２１６．５ ５
文献 标 识码 ：Ａ
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｓｅｌａｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｃｉｖｉｌ ａｉｒｃｒａｆｔ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｅｎｔｒｙ ｓｐｅｅｄ，ｐｉｔｃｈ ａｌｌ—
ｇｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｓｐｅｅｄ，ｌａｒｇｅｒ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｓｍａｌｌｅｒ ｕｐｓｗｅｐｔ ａｎｇｌｅ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｓｍａｌｌｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｃｏｅｆｆ ｉｃｉｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｓｅｌａｇｅ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｗａｔｅｒ ｉｍｐａｃｔ；ｕｐｓｗｅｐｔ ａｎｇｌｅ；ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ；ｉｍｐａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｇｌｅ ａｎｄ ｕｐｓｗｅｐｔ ａｎｇｌｅ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｓｅｌａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｅｎｔｒｙ
ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ． Ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ—ａｖｅｒａｇｅｄ
Ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｗ ａｔｅｒ Ｅｎｔｒｙ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ａ ｉｒｃｒａｆｔ Ｆｕｓｅｌａｇｅ
张 旭 刘 沛清 屈 秋林 ／ＺＨＡＮＧ Ｘｕ ＬＩＵ Ｐｅｉｑｉｎｇ ＱＵ Ｑｉｕｌｉｎ （北 京航 空 航天 大 学 ，北 京 １００１９１）
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ（ＲＡＮＳ）ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ－８ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ—ｏｆ－ｆｌｕｉｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ
ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ—ａｉｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｍｏｖｉｎｇ ｍｅｓｈ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｍ ｏｔｉｏｎ ｂｅ－
起 的 ，而 冲击载 荷 和 冲击 压 强 主要 是 由于 飞 机 的下 降速度 导 致 的。
影 响物体入 水冲击 过程 的因素有很多 ，譬 如物体 的几 何形状 、姿态和 冲击速度 等。大部 分研究 主要 集 中于轴对称 或 二维 物体 进 入平 静 水 面 的过程 。首 先 研 究物体 入 水 冲击 问题 的是 Ｖｏｎ ｍ舀ｎ＿５ ，他 在研 究 水 上飞 机 的人 水 性 能 时 使 用 动 量 守 恒 和 附加 质
ｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｕｓｅｌａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｐｅａｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ｏｃｃｕｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ｒｏｏｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ
ｅｎｔｒｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｓｅｌａｇｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｈｉｆｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｓｅｌａｇｅ．Ｔｈｅ ｃｏｅｆｉ ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ
民用 飞机 设 计 与研 究
Ｃｉｖｉｌ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
２０１８年 第 ２期 总 １２９期
ＩＳＳＮ １６７４－９８０４ ＣＮ ３１．１６１４／Ｖ
ＤＯＩ：１０．１９４１６／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７４—９８０４．２０１８．０２．００６
大型飞机机身垂直入水冲击特性数值研究