如何選擇翼型

發布時間：2023-06-14 18:02:16

翼型是機翼等翼面的二維截面，對于翼面乃至飛機氣動性能都有著重要影響，所以選擇翼型是翼面設計的基礎和重點。然而在翼型庫中每個翼

翼型是機翼等翼面的二維截面，對于翼面乃至飛機氣動性能都有著重要影響，所以選擇翼型是翼面設計的基礎和重點。然而在翼型庫中每個翼型好像看起來都差不多，該如何選擇一個合適的翼型呢?本文將對翼型的主要參數及這些參數的影響做簡單講解，并介紹兩款非常有助于翼型選擇的軟件。

1翼型的主要參數

翼型參數的常規定義

以下參數均為常規定義，部分系列翼型的定義可能與之不同：

弦長c：前緣到后緣距離

最大厚度t：垂直于弦線，上下曲線最大距離。一般以將最大厚度除以弦長，稱為最大相對厚度，比如常說某翼型厚度12%，就是說明其最大相對厚度為12%。

最大厚度位置Xt：最大厚度處的X位置，常除以弦長以百分比表示，如某翼型最大厚度位置30%

中弧線：翼型一系列內切圓的圓心連線（如下圖）

最大彎度f：中弧線與弦線的最大距離。常除以弦長稱為最大相對彎度，如某翼型最大彎度3%

最大彎度位置Xf：最大彎度的X位置，常除以弦長稱為最大彎度位置，如某翼型最大彎度位置50%

前緣半徑：前緣的曲率半徑。

后緣角：翼型上下曲線在后緣的夾角。

2profili軟件介紹

Profili是一款實用的翼型計算分析軟件，不僅內置兩千余種翼型，還可以導入和識別外部翼型，并可以進行多翼型、多雷諾數的分析和比較，滿足小型飛機級別的應用綽綽有余。

打開profili，選擇一個翼型，就可以清楚的看到其主要幾何參數

可見EPPLER 67的最大厚度為11.62%，最大厚度位置31.9%，最大彎度3.65%，最大彎度位置53.1%，如果需要更詳細的幾何數據，可以點擊左上角的“輸出”菜單以獲得翼型曲線坐標點數據。

profili有三大常用功能：

常用功能一：計算雷諾數

雷諾數是慣性力與粘性力的相對大小度量，雷諾數越小則空氣粘性力影響越大。航模的雷諾數普遍在10萬到100萬之間，這個區域雷諾數的變化對氣動力（尤其是阻力）影響很明顯，適當增大雷諾數可以減小阻力系數。雷諾數計算公式如下

在一般的應用中，可使用近似公式“6.8萬×飛行速度×弦長”計算該翼型處的雷諾數，也可以使用profili提供的雷諾數計算菜單：

輸入當地海拔、飛行速度及弦長就可以直接計算雷諾數

常用功能二：多雷諾數分析

此功能可對單個翼型進行多雷諾數分析，以便查看雷諾數對氣動性能的影響，可為飛行速度、機翼弦長等參數的選擇提供參考。對EPPLER 67翼型在30萬和50萬雷諾數下進行分析，結果如下

極曲線

在極曲線圖中，線條越靠左說明阻力系數越小，線條開口大則說明適用的迎角范圍大，曲線的最左側基本說明了此翼型的設計點，即適合于在哪一個升力系數下使用。從上圖中可見，EPPLER 67的適用升力系數在0.6~0.7，這屬于該翼型的設計點，且受雷諾數影響小。而阻力系數受雷諾數影響較大，低雷諾數的藍線基本相對于高雷諾數的紅線向右平移了一段距離，也就是達到同樣的升力系數時，低雷諾數下翼型阻力系數更大。

相對來說，雷諾數對常用范圍內的升力系數影響較小，對阻力系數影響較大。有些翼型的最大升力系數隨雷諾數變化較大，如果在所使用的雷諾數范圍內，翼型最大升力系數變化值超過0.1，則一般認為這種翼型不適合用在機翼翼尖，否則可能會發生翼尖失速。

翼型的力矩與其升力分布有較強聯系，因為雷諾數對升力系數影響較小，所以對力矩系數影響也不會很大

常用功能三：多翼型分析

確定了主要使用的雷諾數范圍后，可以使用此功能對不同翼型進行對比，最終在翼型庫中選擇一個合適的翼型。此菜單最多支持5個翼型在同一雷諾數下進行比較，選擇EPPLER 67和ONERA OA209兩個翼型在31萬雷諾數下進行分析，結果如下：

可以明顯看到，黑線（EPPLER 67）的適用升力系數為0.6~0.8，屬于高升力翼型，適合追求升阻比和氣動效率的重載荷飛機。而紅線（ONERA OA209）適用升力系數為0.2左右，屬于低升力翼型，適合追求高速的低載荷飛機。在升力系數0.35以上，使用EPPLER 67阻力系數更小，在升力系數0.35以下，使用ONERA OA209阻力系數更小。這張圖非常清楚地告訴我們每個翼型都有其適用范圍，在其適用范圍內可以獲得最優的性能。

從升力系數曲線來看，EPPLER 67要比ONERA OA209整體高出很多，同樣都是0度迎角時，EPPLER 67升力系數為0.5，ONERA OA209升力系數為0.05。但需要注意一點，兩翼型的升力系數曲線斜率基本是相同的，實際上幾乎所有的翼型升力系數曲線斜率基本都是一樣的，也就是增加相同的迎角，所有的翼型增加的升力系數基本相同。

從阻力系數曲線來看，ONERA OA209在其適用迎角（-1~1度）有明顯的阻力改善，這是該翼型專門設計的低阻區域，一旦超過這個區域，阻力系數將會明顯增大，所以迎角變化范圍較大的機型不適合具有這類阻力特性的翼型。

上圖顯示了兩翼型的升阻比對比，不過翼型升阻比曲線的參考價值不大，因為實際飛機的升阻比是要考慮機身、起落架等部件的，這些部件都會帶來不小的阻力，所以單獨翼型的升阻比高并不代表全機性能好。

從力矩系數曲線來看，ONERA OA209有一個非常大的優勢便是力矩系數極小，基本為0，意味著使用這個翼型的飛機不用付出太大的配平阻力，或者可以直接使用ONERA OA209打造飛翼布局的飛機。相比之下EPPLER 67的力矩系數則要大很多，所有的高升力翼型都會帶來不小的低頭力矩系數，為了平衡力矩，可能會加長機身、增大平尾、改變平尾安裝角，這都是高升力翼型帶來的弊端。

3使用XFLR5構造自己的翼型

雖然profili提供有兩千余種翼型，在眾多翼型網站也能獲得很多其他翼型，但有時還是不能完全滿足我們的需要，與其在翼型庫大海撈針不如根據需要“設計”或構造一款合適的翼型。XFLR5軟件就為我們提供了強大的翼型自定義功能。

從profili導出EPPLER 67和ONERA OA209的dat格式數據，并使用XFLR5打開，選擇“File”、“Direct Foil Design”。打開“Foil ”菜單，就可以發現豐富的翼型構造功能：

下面我們來簡要介紹這些常用的功能：

“Edit Foil Coordinates”

“編輯翼型坐標”

此功能可以直接修改翼型控制點的坐標以修改翼型外形。通過翼型氣動分析后可以看出改變局部形狀對翼型氣動性能的影響。

“Scale camber and thickness”

“編輯彎度和厚度”

如圖所示，這個菜單可以修改翼型的最大彎度、最大彎度位置、最大厚度、最大厚度位置。直接找到一個與設計目標契合很好的翼型是很困難的，所以可以利用這個功能，在設計成熟的翼型基礎上稍加修改，使其適用升力系數、厚度等符合我們的要求。

這四個翼型參數對翼型性能的影響如下：

“Interpolate Foils”

“翼型融合”

此菜單提供強大的翼型融合（或稱為翼型插值）功能，可以選擇兩個不同的翼型進行融合

如使用EPPLER 67和ONERA OA209這兩個截然不同的翼型進行插值融合，設定融合比例后，軟件會自動計算出新翼型的彎度、厚度等數據，融合得出的新翼型的外形和性能將介于兩者之間。其性能計算如下圖，新翼型（綠色虛線）在中等升力系數范圍內更加適用，在這個范圍內，其擁有比兩個原翼型更低的阻力系數和介于兩者之間的力矩系數，并且改善了ONERA OA209低阻范圍小的缺點。恰當的利用翼型融合可以方便地構造出更全面、更符合要求的翼型。