側(cè)風(fēng)干擾對涵道本體的氣動特性研究

崔劍飛 鞏偉杰

摘 要：針對側(cè)風(fēng)干擾對涵道風(fēng)扇穩(wěn)定性影響，基于Fluent軟件對涵道風(fēng)扇飛行器在前飛狀態(tài)下受側(cè)風(fēng)干擾的數(shù)值模擬。不僅對涵道飛行器本體在有干擾狀態(tài)下的氣動分析，還分析了不同結(jié)構(gòu)布局的抗側(cè)風(fēng)能力，并選取了涵道長徑比h/d、涵道錐角b、槳盤位置j及槳間間隙四個主要結(jié)構(gòu)布局參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析。結(jié)果表明：受到側(cè)風(fēng)干擾時，涵道飛行器的穩(wěn)定性和機(jī)動性下降，可以通過改變涵道的布局結(jié)構(gòu)來提高涵道飛行器的抗干擾能力，提高涵道風(fēng)扇飛行器的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：側(cè)風(fēng)；干擾；穩(wěn)定性；涵道風(fēng)扇；氣動特性

中圖分類號：V211 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0042-04

Abstract： In view of the influence of crosswind disturbance on the stability of culvert fan， the numerical simulation of crosswind disturbance on ducted fan aircraft in forward flight state is carried out based on fluent software. Not only the aerodynamic analysis of the culvert vehicle body in the presence of interference， but also the cross-wind resistance of different configurations is analyzed. Four main structural layout parameters， i.e.， culvert aspect ratio h/d， culvert cone angle b， paddle position j and inter-propeller gap， are calculated and analyzed numerically. The results show that the stability and maneuverability of the culvert vehicle decrease when it is disturbed by crosswind. The anti-jamming ability and the stability of the culvert fan vehicle can be improved by changing the layout and structure of the culvert.

Keywords： cross wind； interference； stability； ducted fan； aerodynamic characteristics

引言

涵道風(fēng)扇飛行器結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，并且使用范圍已拓展至軍事、民用和科研三大領(lǐng)域，其迅速發(fā)展和應(yīng)用，已逐漸成為當(dāng)今無人機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。目前，隨著國內(nèi)外對于涵道風(fēng)扇無人機(jī)的研究不斷深入，對涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的氣動特性和穩(wěn)定性控制問題的研究也逐步展開，文獻(xiàn)[1]對涵道飛行器的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究，并且涵道飛行器的氣動分析也比較成熟[2]?，F(xiàn)階段對涵道飛行器的氣動分析研究，處于涵道飛行器懸停狀態(tài)或者前飛的狀態(tài)[3， 4]，并對傾轉(zhuǎn)涵道飛行器傾轉(zhuǎn)過程中的復(fù)雜流場分析[5， 6]。

考慮到涵道風(fēng)扇飛行器處于干擾的環(huán)境，比如有側(cè)風(fēng)/陣風(fēng)存在的時候，對涵道飛行器的穩(wěn)定性和機(jī)動性有較大的影響?；贑FD數(shù)值模擬涵道風(fēng)扇飛行器在前飛過程中受側(cè)風(fēng)的影響，涵道的氣動布局對涵道飛行器穩(wěn)定性的影響，為涵道風(fēng)扇飛行器在不同環(huán)境下抗干擾能力和快響應(yīng)奠定了研究基礎(chǔ)。

1 涵道氣動布局

本文網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格組裝形式，翼型采用升阻比較大的平凸翼CLARK-Y，基于fluent的非定常數(shù)值計(jì)算，湍流模型采用k-epsilon RNG模式，并且考慮渦流（Swirl Dominated Flow）的影響，采用滑移網(wǎng)格的模式進(jìn)行數(shù)值分析?；鶞?zhǔn)模型中定義的 流速度10m/s，側(cè)風(fēng)干擾速度為5m/s，壓力出口。涵道風(fēng)扇的側(cè)風(fēng)影響及攻角的定義如圖1所示。

2 側(cè)風(fēng)對涵道本體的氣動影響

小型涵道飛行器處于側(cè)風(fēng)的干擾環(huán)境中時，涵道風(fēng)扇飛行器處于螺旋槳的吸流、前方 流和側(cè)風(fēng)干擾的復(fù)雜流場中，這將會影響涵道飛行器的穩(wěn)定性和機(jī)動性。

圖2，3所示為涵道飛行器在 流不變的情況下，無側(cè)風(fēng)干擾和有5m/s的側(cè)風(fēng)干擾狀態(tài)下升阻力隨著攻角的變化曲線。通過對計(jì)算結(jié)果的分析可知，隨著攻角的增大，涵道在無干擾和有干擾狀態(tài)下，升力都增大，這是由隨著攻角增大，涵道的附加升力增大。比較有干擾和無干擾的氣動特性，有干擾狀態(tài)下涵道的升力大幅度降低，這很大程度上影響了涵道的穩(wěn)定性和機(jī)動性。這是因?yàn)闊o干擾狀態(tài)下涵道處于前方來流和風(fēng)扇吸流的流場下，而有側(cè)風(fēng)干擾涵道處于前方 流、風(fēng)扇吸流和側(cè)風(fēng)干擾的復(fù)雜流場下，改變了涵道唇口的靜壓分布，對風(fēng)扇的拉力和涵道的增升產(chǎn)生了影響。無側(cè)風(fēng)狀態(tài)下，涵道的阻力隨著攻角的增大而增大，這是因?yàn)楹拦ソ窃?0°之前，涵道主要提供的是前飛的拉力，而在攻角30°之后，隨著相對于 流的正投影面積的增大，涵道主要提供的是阻力。而在有干擾狀態(tài)下，隨著 流攻角增大，阻力在減小，因?yàn)槭艿絺?cè)風(fēng)的影響，涵道主要是提供的側(cè)向力和前飛的拉力。

圖4為無側(cè)風(fēng)和側(cè)風(fēng)狀態(tài)下的力矩圖，該力矩分為xy平面和xz平面的力矩。無側(cè)風(fēng)狀態(tài)下在飛行器前進(jìn)方向（xy平面）的力矩隨著攻角的增大而增大，而側(cè)風(fēng)方向上（xz平面）的力矩基本保持穩(wěn)定。在有側(cè)風(fēng)干擾的情況下，減小了xy平面下的俯仰力矩，增大了xy平面的抗側(cè)風(fēng)能力，從而提高了xy平面的穩(wěn)定性，但是增大了xz平面的側(cè)翻力矩，降低了xz平面涵道風(fēng)扇飛行器的穩(wěn)定性。圖5是受到干擾時，涵道受到干擾方向的力，側(cè)向力主要來自側(cè)風(fēng)矢量方向上涵道內(nèi)外壁壓差，從圖中可以看出，隨著 流攻角的增大，側(cè)向力越小，說明大攻角狀態(tài)下受到干擾的影響較小，抗側(cè)風(fēng)能力強(qiáng)。

3 側(cè)風(fēng)狀態(tài)下涵道長徑比對飛行器穩(wěn)定性的影響

在不更改基準(zhǔn)模型其他結(jié)構(gòu)、 流速度以及干擾速度，選定涵道攻角在10°，30°，50°狀態(tài)下改變涵道長徑比h/d，以此來分析在5m/s側(cè)風(fēng)下對飛行器前飛時穩(wěn)定性能的影響。

由于側(cè)風(fēng)干擾的影響，會改變涵道風(fēng)扇飛行器的力矩大小，從而會使得飛行器飛行過程中的穩(wěn)定性和機(jī)動性下降。如圖6，7，8所示，隨著攻角的增大，升力增大，力矩減小；隨著涵道長徑比的增加，涵道的整體升力呈現(xiàn)下降趨勢，并且xz平面的力矩先增后減，涵道長徑比在0.47時，力矩達(dá)到最大，其抗側(cè)風(fēng)能力最差，涵道飛行器的穩(wěn)定性和機(jī)動性最差。即在有側(cè)風(fēng)干擾時，隨著涵道長徑比增大，側(cè)向力影響越嚴(yán)重，抗側(cè)風(fēng)能力越差，穩(wěn)定性越差。并且隨著攻角的增大，受到側(cè)向力影響越小，那是因?yàn)楹篱L徑比越大，側(cè)向力方向上的壓差越大。因?yàn)樵龃罅碎L徑比，升力減小，側(cè)向力增大，力矩先增后減，所以考慮到飛行器有良好的機(jī)動性和抗側(cè)風(fēng)的能力，應(yīng)該選擇較小的長徑比涵道本體布局結(jié)構(gòu)。

4 側(cè)風(fēng)狀態(tài)下涵道錐角對飛行器穩(wěn)定性的影響

涵道錐角的改變會影響涵道的出入口直徑，從而影響涵道的出入口氣流的流動狀態(tài)，涵道的增升主要是涵道出口外壁與涵道入口壓差產(chǎn)生，而當(dāng)有干擾存在會改變涵道出口外壁與涵道入口的壓力分布。通過數(shù)值計(jì)算分別對涵道錐角為-6°～9°的模型進(jìn)行計(jì)算，其他的條件均不變，計(jì)算結(jié)果如圖9，圖10和圖11。

從圖中可以看出，隨著錐角的增大，涵道的整體升力越大，這是由于隨著錐角的增大，涵道出口流場受到的限制增加，增加了相對的靜壓，提高了涵道整體升力，但錐角的持續(xù)增大會增加涵道對槳盤尾流的阻塞作用。并且在有側(cè)風(fēng)干擾、小攻角狀態(tài)下，涵道錐角在6°左右時涵道的升力最大，而在大攻角狀態(tài)下，涵道錐角在9°左右時涵道的升力最大。從xz平面力矩圖中可以看出，隨著錐角的增大，小攻角狀態(tài)下的力矩先增后減，在錐角為0°時達(dá)到最大，xz平面抗側(cè)風(fēng)能力最差；大攻角狀態(tài)下力矩逐漸增大，其xz平面的穩(wěn)定性和機(jī)動性逐漸變差。圖11中，隨著攻角的增大，側(cè)向力越小，受到側(cè)風(fēng)的影響越??；隨著錐角的增大，側(cè)向力逐漸增大，抗側(cè)風(fēng)能力也越差。

5 側(cè)風(fēng)狀態(tài)下槳盤位置對飛行器穩(wěn)定性的影響

涵道對槳盤的環(huán)括作用使得涵道有附加的升力產(chǎn)生，并且是由于涵道入口和出口產(chǎn)生壓差而增升，槳盤的位置對中軸線上涵道內(nèi)部的壓力分布有較大影響，當(dāng)有側(cè)風(fēng)干擾時，槳盤的位置就更加重要，這使得涵道處于 流，風(fēng)扇吸流和干擾的復(fù)雜流場中。在不改變涵道基準(zhǔn)模型的其他結(jié)構(gòu)，其他的條件都一樣的情況下，分別對槳盤位置j為10mm～70mm的數(shù)值計(jì)算，分析不同布局下涵道的氣動特性對飛行器的穩(wěn)定性和機(jī)動性的影響。

如圖12，13和14所示，當(dāng)涵道攻角小于50°狀態(tài)飛行時，且在有干擾的情況下，槳盤位置越靠近唇口，涵道的整體的升力越大；當(dāng)涵道攻角大于50°狀態(tài)飛行時，槳盤位置處于離涵道唇口1/3處，涵道的升力最大，抗側(cè)風(fēng)能力越大。隨著槳盤離唇口位置越遠(yuǎn)，xz平面涵道風(fēng)扇飛行器的力矩越大，并且受到干擾的側(cè)向力越大，涵道飛行器的抗側(cè)風(fēng)能力越差。

6 側(cè)風(fēng)下槳間間隙對飛行器穩(wěn)定性的影響

有研究表明，增大槳尖間隙會降低涵道的增升效果[7]。為了保證涵道有良好的增升效果，數(shù)值模擬側(cè)風(fēng)干擾對涵道槳間間隙的影響。從計(jì)算結(jié)果圖15，16，17可以看出，隨著涵道槳間間隙的增加，涵道的整體升力先增后減，并且在槳間間隙2mm處時，涵道的升力最大，這是因?yàn)樵趥?cè)風(fēng)的影響下，隨著槳間間隙的增大，槳盤上方的低壓區(qū)由小到大再到小的過程，所以隨著槳盤前后的壓力差的變化，涵道的升力也就先增后減。隨著槳間間隙的增大，涵道飛行器的力矩先增后減，并且槳間間隙為1.5mm時力矩達(dá)到最大，涵道抗側(cè)風(fēng)能力最差。并且在槳間間隙小于1.5mm時，涵道受側(cè)風(fēng)影響的迎風(fēng)區(qū)出現(xiàn)大范圍高壓，由于壓力差的作用，以至于側(cè)向力達(dá)到最大，但是抗側(cè)風(fēng)能力較強(qiáng)。

7 總結(jié)

本文采用數(shù)值仿真的方法對涵道飛行器前飛時受到側(cè)風(fēng)干擾的升力特性進(jìn)行分析。在有干擾情況下，涵道的整體布局對飛行器穩(wěn)定性和機(jī)動性有很大的影響，涵道結(jié)構(gòu)布局的優(yōu)化可以有效提高涵道飛行器在前飛時抗干擾能力具有重要意義。通過分析得出以下結(jié)論：（1）涵道飛行器在前飛時受到側(cè)風(fēng)影響，涵道的升力性能降低，涵道的穩(wěn)定性和機(jī)動性降低，并且涵道在大攻角狀態(tài)下受到側(cè)風(fēng)的影響較小。（2）涵道長徑比的增大，涵道的升力下降，受到的側(cè)向力越大，受側(cè)風(fēng)的影響越嚴(yán)重，抗干擾能力越差，致使涵道的穩(wěn)定性和機(jī)動性能均下降。（3）隨著涵道錐角的增大，涵道的升力增加，但涵道的側(cè)向力越大，抗干擾能力也越差，涵道錐角在-3°時，受側(cè)風(fēng)影響較小，涵道抗干擾能力較強(qiáng)。（4）槳盤位置越靠近唇口位置，涵道受到側(cè)風(fēng)影響越小，抗干擾能力越強(qiáng)。（5）隨著涵道槳間間隙的增加，涵道的整體升力先增后減，并且在槳間間隙2mm處時，涵道的升力最大，此時受到的側(cè)向力最小，當(dāng)槳間間隙小于1.5mm時，xz平面力矩最小，涵道抗側(cè)風(fēng)能力最大。

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