共軸雙旋翼涵道風扇的氣動特性研究

周凌宇，呂瓊瑩，楊柳

（長春理工大學機電工程學院，長春　130022）

共軸雙旋翼涵道風扇的氣動特性研究

周凌宇，呂瓊瑩，楊柳

（長春理工大學機電工程學院，長春130022）

利用CFD軟件對涵道風扇進行虛擬仿真，對共軸反槳雙旋翼涵道風扇的空氣特性進行分析。通過改變雙旋翼的間距及飛行速度條件下仿真，對共軸反槳雙旋翼涵道風扇氣動特性的分析。結果表明，涵道距離對涵道扇有拉力有影響，但并不明顯。在擾流的影響下，上槳盤產生的升力要小于下槳盤所產生的升力，并且涵道風扇不適合高速飛行。

共軸雙旋翼；CFD；槳間距

同軸反槳雙旋翼涵道風扇與傳統單槳涵道風扇相比，有著獨特的優勢，首先，上下旋翼產生的反向扭矩會互相抵消，省去了無人機的尾槳，使無人機的結構變得更加緊湊。其次，同軸反槳雙旋翼涵道風扇對單旋翼涵道相比可以大幅度的提高涵道風扇的性能，在無人機的飛行過程中，無人機的飛行速度、唇口部位氣流擾流、旋翼與涵道之間產生的擾流和上下旋翼之間的氣流干擾，這些都使同軸雙旋翼涵道風扇的空氣流場更加復雜。為了對共軸雙旋翼風扇空氣性能的優化，對共軸雙旋翼風扇進行CFD數值模擬分析具有重要的意義［1-3］。

目前，由于涵道風扇優越的空氣動力性能，已經在世界范圍內廣泛使用，也有許多學者對涵道風扇進行了大量的理論研究。Kriebel A R通過對涵道風扇的研究，得出了在不同攻角下涵道風扇的靜拉力、扭矩和俯仰力矩之間的關系［4］。美國的Graf W等學者，通過分析所知，涵道唇口形狀對涵道風扇的拉力、俯仰力矩、涵道壁面壓力甚至涵道無人機的整機飛行性能都有影響［5］。Timothy E.Lee通過對共軸雙旋翼涵道風扇模型的實驗，其主要研究內容為上旋翼與下旋翼之間的間距、旋翼的安裝高度、涵道唇口形狀、旋翼槳尖與涵道內壁的槳尖間距這些參數對同軸雙旋翼涵道風扇系統性能的影響［6］。

綜上所述，目前國外學者主要對雙旋翼涵道風扇在懸停的狀態下性能進行了分析，并沒有在不同巡航速度以及不同的轉速和槳間間距這些參數之間的關系進行分析。

1　計算模型及數值模擬

1.1計算模型

同軸反槳雙旋翼涵道風扇模型如圖1所示，旋翼設計參數如表1所示，涵道設計參數如表2所示。

圖1　同軸反槳雙旋翼涵道風扇模型

表1　旋翼參數

表2　涵道參數

在同軸反槳雙旋翼涵道風扇的模擬過程中將計算區域分為5部分，具體劃分如圖2所示。

圖2　同軸雙旋翼涵道風扇模擬區域劃分

1.2共軸雙涵道風扇的空氣動力學模型

目前尚無帶涵道的共軸雙旋翼空氣動力理論可供參考，本文參考共軸雙旋翼數學模型，通過引入涵道拉力因子q的方式，給出共軸雙旋翼涵道風扇的動力學模型。

式中，a01，a02，a11，a12，b11，b12分別是下、上旋翼的錐度角，縱向及橫向揮舞一階諧波系數，θ012為總距，θ01為旋翼差動變距，A1，B1分別是橫向、縱向周期變距；θt是槳葉線性扭轉率，φ表示槳葉方位角。

式中，vi1，vi2為上下旋翼任意一點的軸向誘導速度，v1，v2為槳盤處固有平均誘導速度。δ1，δ2為共軸雙旋翼涵道風扇的干擾因子，與槳間間距和飛行狀態有關，K1，K2為經驗系數。δ1的取值范圍為0≤δ1≤2，δ2的取值范圍為0≤δ2≤1。

雙旋翼涵道風扇中，下旋翼拉力T1，俯仰力矩M1，可表示為：

其中，m為旋翼單位長度質量，Nb為槳葉數量，e是槳葉揮舞鉸外伸量，az，dFzb分別為槳葉展向坐標系中葉素的當地加速度和氣動力。

1.3邊界條件及求解器參數設置

對于入口的設定壓力為零，設定出口壓力為零，壁面滿足無滑移條件，旋轉區域設定旋翼的轉速，設定靜止區域的轉速同樣為零，并設定靜止區域與外部區域具有相關性，interface是各個區域信息的傳遞面。

在壓力速度耦合方程的選擇上SIMPLEC，湍流模型選擇k-ε（RNG）湍流模型，插值方法采用的是Green-Gauss Note Based，在壓力插值的設定上選擇PRESTO！。

2　結果分析

2.1槳盤間距與升力之間的關系

在本文中采用5種不同的同軸雙槳槳間間距進行模擬分析，在懸停的條件下，其中雙槳間距與槳葉半徑之比分別為0.15R、0.2R、0.25R、0.3R、0.4R。

上槳盤與下槳盤壓力分布云圖如圖3和圖4所示。雙旋翼涵道風扇速度矢量云圖如圖5所示。雙旋翼涵道風扇軸向速度如圖6所示。

圖3　上槳盤壓力分布

圖4　下槳盤壓力分布

圖5　雙旋翼涵道風扇速度矢量云圖

圖6　雙旋翼涵道風扇軸向速度

圖7　升力與H在不同轉速下的關系

通過圖7的數據比對可以看出，當H在不同高度下升力會存在少許不同，差別不是很大，通過對不同H的比較，可以看出當H=0.25R時，同軸雙旋翼涵道風扇存在最大升力。

2.2飛行速度與風扇之間的關系

無人機在巡航狀態下，涵道軸向與飛行方向相同，在不同飛行速度條件下，對無人機在速度為0m/ s，5m/s，10m/s，15m/s，20m/s和25m/s的飛行速度條件下，在不同轉速下的飛行性能如圖8所示。

圖8　涵道風扇不同速度下的升力

通過分析所得數據可知，風速大小對同軸雙旋翼涵道風扇性能有重要的影響，當風速不斷增大時，涵道風扇的升力會急速下降，在轉速不足時升力可能為負值。可以看出當飛行速度從0m/s到20m/s時，同軸雙旋翼涵道風扇的升力性能減少54%。通過軸向的壓力云圖就可以解釋這一問題，風速越大涵道唇口區域的相對負壓區間壓力降低，導致涵道風扇升力的大幅度降低。從數據結果可知，涵道風扇在軸向飛行方面的性能不佳。

2.3上槳盤與下槳盤的升力關系

首先主要對同軸反槳雙涵道風扇在懸停狀態不同轉速下進行不同的數據分析，分別在3000rpm，4000rpm，5000rpm，6000rpm，7000rpm，8000rpm的條件下進行數據模擬。數據結果如圖9表示的為上下槳盤升力與轉速的關系圖，圖10為轉速與上下槳盤扭矩的關系。

圖9　上下槳盤升力與轉速之間的關系

圖10　轉速與扭矩之間的關系

在模擬結果中可以看出，上槳盤所產生的升力要略小于下槳盤所產生的升力。通過圖10可以看出扭矩會隨著轉速的升高而逐漸增加，但通過與單旋翼涵道風扇對比，上下槳盤所產生的扭矩都要小于單旋翼涵道風扇所產生的扭矩。存在這種結果的原因在于上下旋翼之間存在擾流，有一部分的能量轉化為克服擾流所做的功。

3　結論

（1）槳盤間距對涵道風扇的升力的影響不是很大，當H=0.25R的條件下，升力最大。

（2）涵道風扇會隨著飛行速度的提高而迅速損失涵道風扇的升力，所以涵道風扇不適合高速飛行。

（3）在擾流的作用下，雙旋翼涵道風扇上槳盤所產生的升力要略小于下槳盤所產生的升力。

［1］許和勇，葉正寅.懸停共軸雙旋翼干擾流動數值模擬［J］.航空動力學報，2011，26（2）：453-457

［2］姬樂強，朱清華，崔釗，等.共軸雙旋翼自轉氣動特性［J］.航空動力學報，2012，27（9）：2013-2020.

［3］鄧敏，陶然，胡繼忠.共軸式直升機上下旋翼之間氣動干擾的風洞實驗研究［J］.航空學報，2003，24（1）：10-14.

［4］Kriebel A R.Theoretical stability derivatives for ducted propellers［J］.Aircraft，1964，9（4）：203-210.

［5］Graf W，Fleming J，Ng W.Improving ducted fan UAV aerodynamics in forward flight［C］.46th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit.Reno，2008，32（2）：7-10.

［6］Timothy E Lee，Leishman J Gordon，Omri Rand. Design and Testing of a Ducted Coaxial Rotor SystemforApplicationtoaMicroAerialVehicle［C］.66th Annual Forum and the American.Helicopter Society，2010，29（6）：10-13.

［8］胡軍，張建國，傅旻，等.基于虛擬樣機技術的新型槽輪機構的性能研究［J］.機械設計與制造，2009（3）：147-149.

［9］唐進元，周煒，陳思雨.齒輪傳動嚙合接觸沖擊分析［J］.機械工程學報，2011（7）：22-30.

［10］陳思雨，唐進元，謝耀東.齒輪傳動系統的非線性沖擊動力學行為分析［J］.振動與沖擊，2009（4）：70-75.

［11］郭會珍，譚長均，陳俊鋒.基于Adams的行星輪系動力學仿真［J］.機械傳動，2013，37（05）：86-89.

Aerodynamic Characteristics of Coaxial Propellers Ducted Fan

ZHOU Lingyu，LV Qiongying，YANG Liu
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University Of Science and Technology，Changchun 130022）

Use of CFD software virtual simulation for the ducted fan，analysis of the air characteristics of coaxial counter-propeller ducted fan.Through the simulation under conditions of distance between the rotor and flight speed，analysis of the co-rotor axis ducted fan aerodynamic characteristics.The results showed that ducted distance ducted fan for pulling impact，but not great.Under the influence of burble，the lift generated on the upper propeller is less than the lift generated on the under propeller.The ducted fan is not suitable for high-speed flight.

coaxial double rotor；CFD；propeller distance

V211.52

A

1672-9870（2016）04-0083-04

2016-01-11

周凌宇（1986-），男，碩士研究生，E-mail：1369090322qq.com

呂瓊瑩（1963-），男，研究員，E-mail：eo126@126.com