分布式电推进系统中涵道风扇耦合效应的试验与数值研究

基于分布式电驱动涵道风扇推进系统在气动性能、推进效率和鲁棒性方面具有极大应用潜力,系统中复杂的耦合效应缺乏深入研究和理解。本文应用试验与数值模拟相结合的方式研究了某分布式涵道风扇系统中推进器之间的耦合效应,分析了推进器之间耦合干涉作用的规律与机理,为推动分布式电驱动涵道风扇的飞行器工程应用提供理论基础。研究结果表明：相较于风扇的孤立型布局,分布式布局风扇进口存在速度畸变影响涵道风扇性能,导致推力降低4%;分布式布局中风扇之间的耦合效应等效于风扇两侧存在虚拟且无黏的壁面结构,该虚拟壁面结构会诱发风扇两侧的两对流向涡;机翼-风扇之间的耦合效应表现为机翼的有黏壁面结构,会诱发风扇唇口上方的流动分离以及近机翼侧的一对流向涡;在分布式布局中涵道风扇出现转速下降或失效时,仅会对邻近风扇的性能造成影响,由于边缘风扇失效只有一个邻近风扇摄取失效风扇上游的流量,而中间风扇失效有两个邻近风扇用于摄取流量,边缘风扇失效对流动的影响高于中间风扇。     

分布式涵道风扇对BWB无人机气动特性的影响研究

由于分布式推进翼身融合（BWB）无人机综合性能显著，是未来航空领域飞行器发展的趋势，因此分析分布式BWB布局无人机的气动特性对于进行分布式BWB布局设计有着重大的基础意义。本文运用计算流体力学（CFD）数值模拟计算，利用混合网格技术和k-ωSST湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的方法，研究了有/无动力、涵道展向位置以及涵道间距等参数对全机在巡航状态下的气动影响。研究表明，在相同工况下，有分布式动力能够提升全机的气动特性，且外翼段是提供升力的主要方式；涵道风扇合理的间距能产生更好的诱导增升效果，表现为在小迎角下，全机升力系数随涵道间距的增加先增大而后几乎保持不变；在大迎角下，随着涵道间距的增加，全机升力系数逐渐提升，其最大增量为9.3%。以上对此类飞行器的研究分析对分布式推进BWB无人机气动布局设计具有一定的参考价值。     

垂直/短矩起降飞机机翼内埋式风扇布局气动特性分析

以垂直/短距起降飞机过渡飞行状态为背景,针对机翼内埋式风扇布局的自由来流/风扇喷流混合型流动,基于结构/非结构混合网格使用CFD方法进行了非定常数值模拟和分析.首先使用滑移网格技术对NASA涵道螺旋桨进行算例验证,其时均计算结果与实验值的误差为5.3%,证明了计算方法的可靠性和准确性,然后数值模拟了机翼内埋式风扇布局在不同迎角下的气动性能.结果表明:风扇喷流在机翼上产生了特有的“抽吸”和“堵塞”效应,引起了机翼总升阻力的显著增加,升力最大增量达到干净机翼升力的2.6倍,阻力最大增量为干净机翼阻力的3.2倍,混合流场在机翼后缘引起了升力损失并卷起对涡.      

涵道风扇布局参数对其气动特性的影响研究

基于Navier-Stokes方程开展了不同气动布局参数下的涵道风扇非定常气动特性数值模拟研究。首先,结合滑移网格方法建立了适用于涵道风扇流场求解的数值模拟方法,并基于NASA涵道风扇试验模型开展了气动性能计算验证。随后,基于所建立的CFD方法开展了涵道风扇气动布局参数对其气动特性的影响研究,揭示了悬停状态下桨尖间隙和桨盘/涵道轴向相对位置对涵道风扇流场与气动性能的影响规律。结果表明：较大的桨尖间隙对桨尖涡的抑制作用减弱,导致涵道风扇的气动性能大幅降低,同时,桨尖涡强度的增加极大地改变了桨叶尖部的压强分布;当桨盘由基准位置向涵道出口方向移动时,涵道内的诱导速度分布发生改变,涵道唇口处气流速度降低,唇口的负压峰值下降,导致涵道拉力减小,当桨盘位置由基准位置向涵道入口移动时,桨尖涡的卷起对唇口处流动的影响加剧,导致涵道拉力明显降低。     

不同形状涵道风扇推进特性数值分析

以分布式涵道风扇推进为背景,使用多重参考系（MRF）和给定力分布的动量源方法（MSM）求解雷诺平均N-S（RANS）方程,对不同形状涵道风扇推进特性进行了数值模拟分析。对桨盘与不同形状涵道壁面之间的相互作用原理进行了研究,进而对不同外形分布式涵道风扇进行了分析。结果表明:纯圆形机匣推进特性最佳,纯方形最差,由方转圆的机匣推进特性居中;非圆机匣圆角的存在会诱使机匣内壁出现分离,产生干扰阻力,且圆角半径越小,影响越显著;非圆机匣影响风扇进口面积和桨尖涡的大小,从而从桨盘效率和唇口吸力两方面影响涵道推进效率。      

某民用大涵道比涡扇发动机风扇缩尺试验件气动性能数值仿真

根据某民用航空发动机大涵道比风扇1/2缩尺试验任务的需求,利用三维数值模拟软件对该风扇缩尺试验件各个转速下的内、外涵气动性能进行了数值仿真分析,并对缩尺几何、弹性恢复角及涵道比等参数对风扇缩尺试验件内、外涵气动性能的影响进行了对比分析.结果表明:该风扇缩尺试验件各转速下的内、外涵性能都基本达到设计指标;几何缩尺分别引起了风扇外涵、内涵设计点的效率分别降低了1.26%,0.77%;80%转速下,叶尖弹性恢复角减小0.36°使风扇外涵稳定工作裕度扩展了4.04%,但近设计点总压比和效率均有所衰减;双涵道风扇在不同涵道比状态下,内、外涵相互影响,流量-总压比及流量-绝热效率特性是在一定范围内的曲线带.      

倾转双涵道风扇单人垂直起降飞行器

这种单人垂直起降飞行器采用双涵道风扇作为动力装置,具有直径小、所占空间少、气动效率非常高、结构简单、重量轻、坚固耐用等优点,并且两副风扇的扭转力矩相互抵消,非常适用于超轻型单人垂直起降飞行器。该飞行器既能够垂直起降,又可以水平高速飞行。当垂直起降时,开裂/复合扇形翼面从主机翼向下开裂,随涵道风扇一起倾转,风扇的动力喷流吹向下方,产生向上的动升力,使飞行器完成垂直起降、空中悬停及前飞、倒飞等机动飞行。向水平飞行过渡时,开裂/复合扇形翼面又随涵道风扇一起向前倾转,重新复合回主机翼当中,与之构成完整的一体。这时风扇的动力喷流吹向后方,从而使涵道     

共轴反桨涵道式推进单元地面效应气动性能

为了研究共轴反桨涵道式推进单元近地面悬停时的气动特性,通过气动性能测试分别研究了转速、桨盘间距和离地距离对推进单元的气动影响。同时,通过CFD数值仿真分析了其速度场和压力场分布,分析了共轴反桨涵道式推进单元地面效应的流场特性。结果表明,当涵道扩散口到地面的距离小于两倍桨盘半径时,地面效应开始起作用;当离地距离小于一倍桨盘半径时,地效非常显著,品质因子(FM)最高提升了约30%。随着离地距离的减小,涵道拉力随之降低,这是由于入流速度的降低导致涵道唇口处的压力峰值下降。桨盘间距对地面效应影响不大。涵道以及螺旋桨的拉力、反扭矩与螺旋桨转速的平方近似成正比。      

风扇/增压级内外涵联算的特性数值模拟

提出了一种风扇/增压级内外涵联算的多转速全工况快速特性预测的计算方法.该方法将模化的叶片法向力和摩擦力引入周向平均形式的Euler方程组源项,结合NASA SP-36提供的攻角和落后角确定方法以及Koch稳定边界模型,对高负荷跨声风扇级以及某双涵道大涵道比的风扇/增压级进行了特性数值模拟,并与实验和三维数值模拟结果进行了比较.结果显示周向平均方法基本满足风扇/增压级初期气动设计快速特性预估的工程精度要求.      

低雷诺数分布式螺旋桨滑流气动影响

以高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAVs）研究为背景,采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的多重参考系（MRF）方法,对3种螺旋桨-机翼构型的低雷诺数气动特性进行了高精度准定常数值模拟,在等拉力前提条件下,通过对比机翼气动力系数及表面流场结构特征分析了分布式螺旋桨（DEP）滑流对FX63-137机翼的气动影响。研究表明：螺旋桨滑流影响使得桨后总压及流速显著增大,这是机翼升力增大的主要原因,但同时机翼阻力特性急剧恶化,升阻比反而降低;螺旋桨滑流向机翼边界层内注入丰富湍动能从而抑制流动分离,扩大机翼表面湍流范围及附着流动区域;分布式螺旋桨滑流与低雷诺数机翼表面复杂流动相互作用显著,主要表现为滑流区域边界展向涡结构的产生。     

倾转涵道倾转过渡阶段的非定常气动力

为研究倾转涵道动力装置在倾转过渡阶段的非定常气动力,使用基于滑移网格技术的非定常计算方法,利用基于内场信息和叶素理论的压力盘模型模拟风扇螺旋桨,通过求解Navier-Stokes(N-S)方程,对涵道风扇俯仰拉起过程进行数值模拟.结果表明:在倾转过程中涵道风扇非定常气动力的迟滞特性明显,俯仰角速度延迟了流场分离,增加了涵道风扇的升力和阻力;低速飞行时,涵道风扇在整个倾转过渡阶段气动性能优良;在高速大迎角飞行时,涵道风扇气动性能恶化,俯仰力矩曲线紊乱,不利于进行倾转过渡飞行.      

内外流耦合对分布式涵道风扇影响的机理

内外流耦合效应对分布式涵道风扇的气动性能有显著影响。为了进一步揭示分布式涵道风扇部件在爬升、巡航过程中内外流耦合效应对气动性能和流动机理的影响规律,通过三维RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)数值、试验方法对该问题进行详细探讨。结果表明:不同飞行状态中转子叶片和唇口壁面对风扇推力影响显著。随着无量纲质量流量率的提高,转子进气方向由负迎角往正迎角改变,推力系数增加。爬升时存在最佳进气迎角,气动效率最高。巡航状态的唇口摩擦阻力最小,推进效率最高。过大或过小的无量纲质量流量率会使得唇口的摩擦阻力和压差阻力增大,从而降低推进效率。      

Investigation of Vortex Interaction in Canard-FSW Configurations Based on the Numerical Wind Tunnel Method

The vortex interference mechanism on low Reynolds number between the canard and main wing of the canard-forward sweep wing (Canard-FSW) configurations is simulated numerically by employing the numerical wind tunnel method. The variations of aerodynamic characteristics of Canard-FSW configurations with different positions of the canard are investigated, finding that the aerodynamic interference and mutual coupling effect between the canard and main wing have made great contributions to the lift and stability characteristics of the whole aircraft. Canard can radically improve the surface flow pattern of the main wing. And its own vortex can have a favorable interference on the main wing and can effectively control the airflow boundary layer separation. At small angles of attack, the aerodynamic characteristics are sensitive to the positions of the canard and the main wing, but at high angles of attack, the aerodynamic performances of the configuration are not only related to the shape of the canard (forward or backward), but also with the size of control force as well as the features of the vortices generated above the main wing and the canard. The different configurations and vortices are illustrated using the velocity vector, streamlines and pressure contours.     

有无涵道动力下的类BWB低速布局气动特性研究

随着航空飞行器的不断发展,新型非常规气动布局研究早已成为世界航空大国的关注焦点。基于TRIP 3.0软件平台通过等效盘模型应用到涵道风扇内外流一体化模拟中,完成对类BWB低速布局有无涵道风扇动力下的气动特性和流场影响分析。首先,对某单独螺旋桨验证算例进行分析;然后,对单独涵道风扇进行计算,得到设计推力下的涵道动力叶片数、安装角及转速等参数;最后,将设计推力下涵道动力参数应用到类BWB低速布局全机有无动力模拟中。结果表明:计算拉力和扭矩值与试验值吻合较好;尾部布置的涵道动力对机身后段及尾翼压力分布影响显著;涵道对前方气流抽吸作用,加速机身后段上表面气流流速,减小内侧平尾有效迎角,对机身和平尾升力以及俯仰力矩系数影响较大;在小迎角状态下,涵道动力对机身增升作用明显,会产生明显低头力矩,但对平尾作用正好相反,且两者增量大小相当,使得全机增升效果不显著,且俯仰力矩变化较小。     

扇翼流动机理数值模拟研究

以扇翼的气动特性(高升力)为关注焦点,对扇翼流动的流场结构细节进行了数值模拟研究。对有推力二维Lockheed C-141超临界翼型进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,并数值模拟了扇翼旋转时的流场结构。结果表明,其高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而这种射流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速喷射得到的。扇翼内部的流动是复杂的非定常流动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干扰等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当的气动噪声是不可避免的。将算法应用于扇翼飞行器的外形设计优化阶段,得到了若干构型的气动性能,为下一步开展的无人机研制工作提供了指导。     

双喉道喷管与飞翼布局无人机气动数值研究

利用超椭圆方法,设计了双喉道射流矢量喷管的气动外形,并采用S-A湍流模型数值研究了次主流压比、次流方向及喷管外形参数对其气动特性的影响。研究表明,当确定次主流压比SPR=3时,可依次确定该型喷管外形参数分别为空腔长度l=3h,空腔扩张角θ1=10°,空腔收敛角θ2=30°,二次流注入角α=120°时,矢量喷管的气动特性最优。将设计的气动最优喷管与飞翼布局无人机后体进行一体化设计,数值模拟了喷管对飞翼布局无人机升阻特性的影响,结果表明,双喉道射流矢量喷管能够很好地运用于飞翼布局无人机。     

Investigations of tip-jet and exhaust jet development in a ducted fan

The major aim of this work is to investigate the tip-jet and exhaust jet development in a ducted fan as well as the impact on the fan’s performance. The flow field of the ducted fans under the solidity varied from 0.2 to 0.7 are simulated by using the shear-stress transport k-ω turbulence model with a refined high-quality structured grid. The exhaust jet trajectory, expanding range and the flow intersection of the jet and mainstream in the blade passage are analyzed. As the results suggest, the flow direction of the exhaust jet is deflected by the downwash and Coanda effect. The major decay region of the exhaust jet can extend at least 2 times the blade chord downstream from the blade trailing edge. The blade circulation is impacted by the tip-jet rather than the exhaust jet from the upstream when the blade tip pitch angle is 8°, and the fan solidity is less than 0.7. The blade tip thrust is reduced by the interruption from the exhaust jet when the blade tip pitch angle is 2°, and the fan solidity is larger than 0.3.     

串列翼飞行器机翼耦合特性研究

串列翼飞行器由于其前后翼以及机身之间的相互干扰,气动特性复杂且难以预测。针对一款串列翼飞行器,以前后翼之间的垂直距离为变量,设计了五种气动布局,并使用CFD方法进行了数值模拟计算。通过对五种布局升阻特性与俯仰特性的比较及分析,发现前后翼垂直方向距离会显著影响整机升阻比、俯仰稳定性、气动中心位置以及压力中心位置。两翼间垂直方向上的距离越大,飞行器升阻比越高,且气动中心更加靠后。而在两翼间距离相同的情况下,前翼在下的布局拥有更高的升阻比,而前翼在上的布局拥有更好的俯仰静稳定性。     

飞翼无人机保形进气道耦合进口格栅气动与隐身综合特性

基于飞翼无人机(UAV)保形进气道和工程应用实例,进行了不同格栅间距的格栅设计。结合多层快速多极子方法(MLFMM)和混合网格计算方法,开展了保形进口格栅气动和隐身综合特性研究。结果表明:①随着格栅尺寸（间距)减小,格栅隐身效果逐渐增强;频率为1GHz下,格栅间距为波长的1/3时,格栅电磁屏蔽效率约为48.93%,而当格栅间距达到波长的1/6时,接近于完全屏蔽;②保形进口格栅对无人机翼面上流动干扰较小而对进气道内流特性影响明显;③随着格栅尺寸减小,全机升阻特性逐渐略微下降,进气道出口截面总压恢复逐渐降低而畸变指数逐渐增大。