涵道式飛行汽車新型結構的氣動性能數(shù)值模擬

羅佳俊， 蔣 丹

(上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240)

涵道式飛行汽車新型結構的氣動性能數(shù)值模擬

羅佳俊， 蔣 丹

(上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240)

在研究國內外飛行汽車優(yōu)勢與局限性的前提下，結合共軸反轉雙旋翼直升機升力大、續(xù)航中等以及多旋翼飛行器控制精度高的特點，通過目標設定、方案羅列、理論分析等步驟，提出一種區(qū)域適應性更強的涵道式飛行汽車新結構.與兩種現(xiàn)有飛行汽車結構進行對比，探討涵道式飛行汽車的結構及氣動性能特點.氣動性能數(shù)值模擬結果表明該飛行汽車結構值得繼續(xù)研發(fā)與嘗試.

涵道式飛行汽車； 結構特點； 氣動性能； 數(shù)值模擬

隨著中國汽車保有量的逐年提高，交通擁堵的“城市病”日趨嚴重.如今的汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模與交通現(xiàn)狀，恐怕在20年前是大多數(shù)人難以想象的.同樣地，20年后的交通情況，也很有可能與今天大相徑庭.1995年，中國汽車保有量為1 040萬輛[1]，2015年，汽車保有量為17 200萬輛，20年間翻了大約16.5倍，汽車基本達到普及狀態(tài).2015年，中國私人飛機大約有1 000 架，全球有31萬架.飛機制造商龐巴迪公司預計，到2020年，中國有經(jīng)濟實力購置私人飛機的潛在客戶會達到30萬人[2].很難說20年后，中國的天空中是否會飛滿私人飛機，就像現(xiàn)在地面交通中的汽車一樣.

另一方面，中國城市公路里程從2005年的3.345×106km增加到2011年的4.106×106km，年均僅增長3.79%，這對同時間段內年均49.41%增長的私人汽車來說過于緩慢[3]，這就導致了上下班時間的城市交通擁堵.倘若制造一種像飛行汽車一樣的新型交通工具，將城市上空這一閑置維度建立為新的交通網(wǎng)絡，既不需要大規(guī)模改變現(xiàn)有的道路設施，還能分擔城市交通壓力，對城市本身及市民都有利.

考慮到私人飛機的體積依然較大，而中國城市人口密度較大且短期內難以下降，同時建造私人機庫和跑道的可能性不高，一種飛機與汽車的結合產(chǎn)品可能會應運而生，其既能滿足大眾的出行需求，又符合中國的實際國情.實際上飛行汽車的概念早已出現(xiàn)，也有近百年的研發(fā)歷史.本文提出一種涵道式垂直起降飛行汽車的新型結構，并對其氣動性能進行數(shù)值模擬討論.

1 國內外飛行汽車研發(fā)現(xiàn)狀

從1906年Trajan Vuia在法國首都巴黎測試首輛飛行汽車開始，美國、中國等許多國家都對飛行汽車的研發(fā)進行了許多嘗試.隨著科技水平的迅猛發(fā)展，世界各地涌現(xiàn)出了一批具有代表性的飛行汽車，如美國的Transition、斯洛伐克的AeroMobil、荷蘭的Pal-V One、以色列的X-Hawk等.

本文選取幾個具有代表性的飛行汽車類型(如表1所示)進行對比分析.一般來說，固定翼型在續(xù)航方面有極大優(yōu)勢，飛行速度較快，局性限在于起飛與降落需要跑道，不能懸停，且在空中轉彎半徑較大；自旋翼型續(xù)航中等，局限性在于需要起降跑道，不能懸停；直升機型能夠垂直起降與懸停，續(xù)航持久，局限性在于翼展較大；多旋翼型可垂直起降與空中懸停，控制精度高，翼展較小，局限性在于續(xù)航較短.

表1 飛行汽車現(xiàn)有類型比較

2 新型結構設計目標及理論分析

2.1設計目標

基于表1中各類型飛行汽車的優(yōu)勢與局性限，新結構設計目標如下：

(1) 能夠垂直起降與懸停；

(2) 飛行狀態(tài)的長寬尺寸均控制在5 m內；

(3) 飛行速度達到100 km/h以上；

(4) 續(xù)航在2 h以上；

(5) 可承載2人.

2.2方案選擇

根據(jù)國內外公布的飛行器數(shù)據(jù)可知，能夠垂直起降與空中懸停的飛行器有如下7種常見設計方案[4].

(1) 單旋翼方案；

(2) 共軸反轉雙旋翼方案；

(3) 縱列式雙旋翼方案；

(4) 涵道式旋翼方案；

(5) 槳尖噴氣旋翼方案；

(6) 噴氣式垂直起降方案；

(7) 傾轉旋翼式方案.

方案(2)和(4)的飛行器具有結構緊湊、旋翼直徑小、安全性高、懸停效率高等優(yōu)點，且其相對復雜的結構與功率需求的問題在理論上可以得到解決，不會影響設計目標的實現(xiàn).

因此，飛行汽車新結構將主要參考共軸反轉雙旋翼與涵道式旋翼的特點.

2.3理論分析

飛行汽車氣動部件主要包括車身與旋翼.由于車身和旋翼是彼此影響的，把兩者結合起來分析有助于計算過程的簡化.

飛行汽車氣動部件受力分析示意圖如圖1所示，主要包括旋翼升力FT、橫向力FN、重力G、空氣阻力f等.

圖1 受力分析示意圖Fig.1 Force analysis diagram

2.3.1 旋翼升力

今后，揚州市應繼續(xù)圍繞農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的“一控兩減三基本”的要求，認真貫徹落實習近平生態(tài)文明思想和全國、全省生態(tài)環(huán)境保護大會的精神，進一步落實生態(tài)環(huán)保責任，更好地推進農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，力爭做到“組織力度更強、推進步伐更快、技術支撐更大、服務指導更優(yōu)”，推動農(nóng)業(yè)面源污染防治和生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的深入開展，促進全市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長方式轉變和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

旋翼的升力FT沿著旋翼軸線方向，計算公式如式(1)所示.

(1)

式中：ρ為空氣密度；R為旋翼半徑；Ω為旋翼轉速；CT為旋翼升力系數(shù)，可由風洞試驗得出，為入流比與迎角的函數(shù)[5]，如圖2所示.

圖2 不同迎角下，旋翼升力系數(shù)CT與入流比的對應關系Fig.2 Correspondence between rotor lift coefficient CT and inflow ratio at different angle of attack

由圖2可知，在同一迎角下，旋翼的升力系數(shù)與入流比呈線性關系，不同迎角時的線性函數(shù)斜率不同，因此，旋翼升力系數(shù)計算公式如式(2)所示.

CT=CT0+(J-J0)(CTJ， α=90+CTJ, cos αcosα)

(2)

2.3.2 旋翼橫向力

旋翼的橫向力與旋翼軸線垂直，計算公式如式(3)所示.

(3)

式中：CN為旋翼橫向力系數(shù)，CN與旋翼升力系數(shù)有相似的特性，因此旋翼的橫向力系數(shù)計算公式如式(4)所示.

CN=(J-J0)·CNJ, sin αsinα

(4)

式中：CNJ, sin α為向前飛行時旋翼的橫向力相對于入流比的斜率，CNJ, sin α=0.057.旋翼橫向力系數(shù)CN[5]

如圖3所示.

圖3 不同迎角下，旋翼橫向力系數(shù)CN與入流比的對應關系Fig.3 Correspondence between rotor normal force coefficient CN and inflow ratio at different angle of attack

2.3.3 飛行汽車重力

飛行汽車所受重力的計算公式如式(5)所示.

G=m·g

(5)

式中：m為飛行汽車質量；g為重力加速度.

2.3.4 空氣阻力

飛行汽車所受空氣阻力與車身形狀、速度等多因素有關，計算公式如式(6)所示.

(6)

式中：Cd為空氣阻力系數(shù);S為飛行汽車迎風面積；V為飛行汽車與空氣的相對運動速度.

2.3.5 計算論證

根據(jù)部分飛行汽車與電動車質量(如表2所示)，考慮將飛行汽車載人時的起飛質量設定為1 000 kg.共軸反轉旋翼槳盤直徑為5 m.由于旋翼槳尖速度不能超過聲速340 m/s，并且旋轉線速度需疊加100 km/h以上的飛行速度，所以直徑5 m的旋翼槳盤理論上比較適合的額定轉速為1 000 r/min.

經(jīng)過計算，共軸反轉雙旋翼可提供升力FT=12 217.3 N，該升力大于10 000 N的重力，初步說明方案可行，能夠實現(xiàn)垂直起降.

進一步考慮到目前飛行汽車結構尺寸依然稍大，在共軸反轉雙旋翼下再搭載車體結構則會使整體高度過高.倘若將旋翼放置在整體結構的大涵道內，不僅能夠降低高度，略微增加整體升力，還能極大程度上減少外置旋翼在旋轉時給周圍人造成的不安全因素.同時，考慮到共軸反轉雙旋翼直升機樣式的中等續(xù)航性與多旋翼飛行器的精確控制性，可采用頂部一對較大的共軸反轉旋翼與底部4個小旋翼相結合的形式，既能夠保持總升力變化不大，也可縮小整體尺寸.

表2 部分飛行汽車與電動車質量

調整過的新結構側面剖視圖如圖4所示，俯視圖及仰視圖如圖5所示.

圖4 新結構側面剖視圖Fig.4 The section view of new structure

(a) 俯視圖 (b) 仰視圖

由于旋翼等整體尺寸做了較多修改，再次計算可得，共軸反轉雙旋翼直徑為2.3 m，適合的額定轉速為2 000 r/min，底部四旋翼直徑為1.2 m，適合的額定轉速為4 000 r/min，此時機構整體可提供升力FT=11 168.1 N，仍大于10 000 N的重力，說明新結構設計具有一定可行性.

2.4形狀比較分析

本文將飛行汽車新結構與2種傳統(tǒng)結構(如圖6和7所示)進行比較分析，結果如表3所示.2個模型數(shù)據(jù)均參考相關著作文獻與維基百科，并基于控制變量的思想，做了略微調整.

圖6 類似鄒汝紅等設計的結構Fig.6 Structure which is similar to Zou Ruhong design

圖7 類似Pal-V One的結構Fig.7 Structure which is similar to Pal-V One

比較項目 新結構類似鄒汝紅等設計的結構[6]類似Pal?VOne的結構尺寸(長×寬×高)/m34．1×4．1×3．15．2×1．8×1．77．2×2．1×2．8旋翼半徑/m1．15和0．580．582．45旋翼弦長/m0．19和0．090．090．25旋翼總體積/m30．050．010．06乘客空間/m34．222．642．82儲能空間/m30．320．080．11

由表3可以看出，新結構由于采用回轉體設計，整體長度較小，寬度較大，稍大的體積可實現(xiàn)最大的乘客空間與儲能空間.這在設計上既能給乘客帶來更舒適的乘坐體驗，也能給飛行汽車帶來更長的續(xù)航能力.

3 新結構氣動性能數(shù)值模擬

3.1旋翼旋轉時系統(tǒng)升力

本文運用ANSYS Workbench進行流固耦合仿真，其中CFD(computational fluid dynamics)計算采用CFX.數(shù)值模擬基本參數(shù)：遠域范圍是半徑為20 m和高度為30 m的圓柱，入口風速為30 m/s.數(shù)值模擬預處理如圖8所示.這里分別對表3中的3種結構進行額定轉速1 000～4 000 r/min的系統(tǒng)升力數(shù)值模擬，結果如表4所示.

圖8 數(shù)值模擬預處理Fig.8 The numerical simulation pretreatment

轉速/(r·min-1)系統(tǒng)升力/N新結構類似鄒汝紅等設計的結構類似Pal?VOne的結構10002581652059020001017050030002197111774000392512124

在3種結構體積相差不大，質量都在1 000 kg左右的情況下，由表4可以看到，類似鄒汝紅等設計的結構系統(tǒng)升力較小，且模擬數(shù)值符合文獻[6]中的研究結果，預計在改變結構為雙涵道四旋翼結構后，在額定轉速7 000 r/min時升力將超過10 000 N.類似Pal-V One結構的系統(tǒng)升力較大，且符合普通直升機轉速在1 000 r/min左右的實際情況.

飛行汽車新結構是結合共軸雙旋翼直升機與四旋翼的設計，所以其升力在2種傳統(tǒng)結構之間是合理的，同時運用理論計算公式可得新結構在轉速1 000～4 000 r/min間的升力約為2 645～38 519 N，與數(shù)值模擬誤差較小.

轉速為2 000 r/min時新結構的中心截面壓力云圖和速度矢量圖如圖9所示.

(a) 壓力云圖

(b) 速度矢量圖

由圖9(a)可以看出，旋翼上下面產(chǎn)生了較大壓力差.由圖9(b)可以看出，車身主體涵道的內外風速差異較大，涵道內的旋翼旋轉對外部影響較小.

3.2車體側面抗風情況

飛行汽車在空中飛行時，往往會受到各方向的風，且風速比地面高.因此，本文研究了3種結構側面受到30 m/s風時的抗風情況.其中，側面最大壓強數(shù)據(jù)如表5所示，側面壓力云圖如圖10所示.

表5 3種結構側面最大壓強比較

(a) 新結構

(b) 類似鄒汝紅等設計的結構

(c) 類似Pal-V One的結構

由表5和圖10可以看到，當速度為30 m/s的風吹到3種結構側面時，其最大壓強相差不大，但新結構由于其回轉體結構，能夠較好地削弱風力所帶來的影響，減小最大壓強的面積，這也可以認為是新結構的優(yōu)勢之一.

4 結 語

本文結合共軸反轉雙旋翼直升機升力大、續(xù)航中等以及多旋翼飛行器控制精度高的特點，提出一種區(qū)域適應性更強的新結構飛行汽車，能夠垂直起降與空中懸停.相比其他傳統(tǒng)結構，該飛行汽車能夠提供更大的乘客空間與儲能空間.在數(shù)值模擬中，新結構飛行汽車能夠產(chǎn)生有效且合理的升力，同時，新結構的額定轉速比國內傳統(tǒng)結構的6 000～7 000 r/min要更易實現(xiàn)，在車體側面抗風性能上也具有一定優(yōu)勢.因此，可以認為此涵道式飛行汽車新結構值得繼續(xù)研發(fā)與嘗試.

[1] 孫璐，郁燁，顧文鈞.基于PCA和HMM的汽車保有量預測方法[J].交通運輸工程學報，2013，13(2)：92-98.

[2] 蘋果.私人飛機在中國[J].齊魯周刊，2015(3)：54-55.

[3] 王拖連，楊世文，薛姣，等.陸空兩用飛行汽車發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].公路與汽運，2011(4)：12-16.

[4] 張鵬.自轉旋翼陸空車輛的性能仿真[D].北京：北京理工大學機械與車輛學院，2015.

[5] 謝建國.新型涵道無人飛行器飛行控制策略研究[D].南京：南京航空航天大學自動化學院，2013.

[6] 鄒汝紅.涵道式垂直起降飛行器氣動特性的CFD分析[D].湘潭：湘潭大學土木工程與力學學院，2015.

(責任編輯：楊靜)

AerodynamicPerformanceNumericalSimulationofaNewTypeDuctedFlyingCarStructure

LUOJiajun，JIANGDan

(School of Mechanical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China)

With the analysis of the advantages and limitations of the foreign and domestic flying car， a new type ducted flying car structure with greater regional adaptability is proposed, which is combined with the characteristics of helicopter’s large lift， medium endurance and multi-rotor aircraft’s high precision control. The design process includes goal setting， plan list， theoretical analysis and so on.Compared with two existing structures， the structure and aerodynamic performance characteristics of the new type ducted flying car are discussed.By numerical simulation， it comes to the conclusion that the new structure is worthy of further research and development.

ducted flying car； structure characteristics； aerodynamic performance； numerical simulation

U 462

A

1671-0444 (2017)04-0484-06

2016-12-15

航空科學基金資助項目(2014ZB57)

羅佳俊(1990—)，男，上海人，碩士研究生，研究方向為飛行汽車設計.E-mail：ljj090431@163.com

蔣 丹(聯(lián)系人)，女，教授，E-mail：jiangdan@sjtu.edu.cn