涵道螺旋槳?dú)鈩犹匦詳?shù)值模擬研究

涵道螺旋槳憑借其性能優(yōu)勢，在垂直起降類無人機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，本文主要對涵道螺旋槳在懸停狀態(tài)和斜流狀態(tài)下的氣動特性進(jìn)行了計(jì)算和分析，然后將其數(shù)值計(jì)算結(jié)果與孤立螺旋槳的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。同時通過對其流場和氣動載荷數(shù)據(jù)的觀察、分析和對比，研究涵道螺旋槳的增升機(jī)理以及涵道和螺旋槳?dú)鈩虞d荷的分配關(guān)系。

幾何模型

本文數(shù)值計(jì)算所用的涵道螺旋槳如圖1所示。其中，槳尖間隙為螺旋槳半徑的 2.8% ，螺旋槳中心距離涵道入口平面的距離為螺旋槳半徑的 45.6% =這兩個參數(shù)基本上就確定了螺旋槳與涵道的相對位置。

網(wǎng)格的劃分

計(jì)算所使用的網(wǎng)格為三棱柱和四面體構(gòu)成的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為430萬。整體和剖面網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

懸停狀態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

對涵道螺旋槳在轉(zhuǎn)速為2000rpm、3000rpm、4000rpm、5000rpm及6000rpm的懸停狀態(tài)下的拉力、功率以及功率載荷進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出了上述參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線和不同轉(zhuǎn)速下涵道螺旋槳的流場形態(tài)，同時將其數(shù)值計(jì)算結(jié)果與相同狀態(tài)下的孤立螺旋槳相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了對比，分析涵道螺旋槳在懸停狀態(tài)下相比孤立螺旋槳所具有的優(yōu)勢。

圖3～圖5分別為懸停狀態(tài)下涵道螺旋槳和孤立螺旋槳的拉力、功率及功率載荷隨轉(zhuǎn)速的變化對比圖。這些曲線均是通過對數(shù)值計(jì)算所得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合而得到的。通過對涵道螺旋槳的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合可以發(fā)現(xiàn)：其拉力與轉(zhuǎn)速成二次方的關(guān)系；功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系；功率載荷與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系。同時通過對比發(fā)現(xiàn)：相同轉(zhuǎn)速下，涵道螺旋槳所產(chǎn)生的拉力大于孤立螺旋槳，但是其所消耗的功率幾乎相等，從而最終決定了涵道螺旋槳的功率載荷大于孤立螺旋槳，這也就說明，二者在消耗相同功率的情況下，涵道螺旋槳所產(chǎn)生的拉力大于孤立螺旋槳。

圖6為涵道螺旋槳中的螺旋槳和孤立螺旋槳拉力隨轉(zhuǎn)速變化的對比圖，從圖中可以看出：相同轉(zhuǎn)速下，涵道螺旋槳系統(tǒng)中螺旋槳所產(chǎn)生的拉力小于孤立螺旋槳，這主要是由涵道內(nèi)壁改變了螺旋槳的滑流邊界所導(dǎo)致的。但是由于涵道螺旋槳的涵道所產(chǎn)生的拉力大于涵道螺旋槳中的螺旋槳相對于孤立螺旋槳的拉力減小量，所以相同轉(zhuǎn)速下，涵道螺旋槳所產(chǎn)生的拉力是大于孤立螺旋槳的。

圖7為涵道螺旋槳涵道所產(chǎn)生的拉力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖中可以看出，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大，螺旋槳的集流作用增強(qiáng)，使得涵道唇口的繞流增強(qiáng)，因此涵道所產(chǎn)生的拉力隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出，涵道所產(chǎn)生的拉力占總拉力的比例隨轉(zhuǎn)速基本保持不變，本文中的值約為 23%

圖8為懸停狀態(tài)下涵道螺旋槳流線的側(cè)視圖和俯視圖。從圖中可以看出，涵道螺旋槳涵道唇口附近的空氣繞過涵道唇口流入涵道內(nèi)部，并且由于涵道內(nèi)壁的作用，涵道螺旋槳下方的氣流不存在明顯的縮頸，這一點(diǎn)有別于孤立螺旋槳。但是類似于孤立螺旋槳，涵道螺旋槳下方的氣流也為螺旋狀。

斜流狀態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

對涵道螺旋槳在轉(zhuǎn)速為6000rpm，來流為10m/s，前傾角分別為0°、10^° 、 20^° 、 30^° 及 40^° 情況下的升力和推力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得出了上述參數(shù)隨前傾角的變化曲線和不同前傾角下涵道螺旋槳的流場形態(tài)。同時與孤立螺旋槳在斜流狀態(tài)下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

圖9為斜流狀態(tài)下涵道螺旋槳和孤立螺旋槳的升力隨前傾角變化的對比圖，從圖中可以看出，涵道螺旋槳的升力隨著前傾角的增大先增大而后減小，其減小的速率小于孤立螺旋槳，且相同前傾角下，涵道螺旋槳的升力大于孤立螺旋槳，這主要是因?yàn)橄喈?dāng)于環(huán)形機(jī)翼的涵道體在有前傾角的情況下也能夠產(chǎn)生一定的升力，其升力隨前傾角的變化趨勢如圖10所示。

圖11為斜流狀態(tài)下涵道螺旋槳和孤立螺旋槳的推力隨前傾角變化的對比圖，從圖中可以看出，涵道螺旋槳的推力隨著前傾角的增大而增大，其增大的速率大于孤立螺旋槳，且相同前傾角下，涵道螺旋槳的推力小于孤立螺旋槳，這主要是因?yàn)橄喈?dāng)于環(huán)形機(jī)翼的涵道體在有前傾角的情況下產(chǎn)生了一定的阻力，其阻力隨前傾角的變化趨勢如圖12所示。

圖13為斜流狀態(tài)下涵道螺旋槳流線側(cè)視圖和×y剖面靜壓分布圖，從圖中可以看出，隨著前傾角的增大，涵道的迎風(fēng)面積和迎角不斷地減小，這就使得涵道所產(chǎn)生的升力不斷增大而阻力不斷減小，當(dāng)然其變化規(guī)律與孤立涵道隨前傾角的變化規(guī)律是有所區(qū)別的。

結(jié)論

本文主要對涵道螺旋槳和孤立螺旋槳在懸停狀態(tài)和斜流狀態(tài)下的氣動特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，詳細(xì)地對比分析了兩者在相同狀態(tài)下的氣動特性，得出了涵道螺旋槳相比孤立螺旋槳所具有的優(yōu)勢，為垂直起降類無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。