涵道風扇氣動特性影響因素數值計算研究

2019-01-03 11:04:54鄧陽平米百剛張言

西北工業大學學報 2018年6期

鄧陽平, 米百剛, 張言

(1.西北工業大學航空學院, 陜西西安 710072; 2.清華大學航天航空學院, 北京 100084;3.中國航空無線電電子研究所, 上海 200233)

航空科學技術的進步使得飛行器設計不斷向精細化和多樣化發展，其中，適用于復雜環境的垂直起降飛行器即是目前廣受關注的焦點之一[1-2]。該類飛行器能夠搭載在車輛、艦船等工具上，在叢林、水陸兩棲以及城市道路等狹小環境中具有無可比擬的適應性。由于需要短距起降，該類飛行器的動力裝置設計尤為重要，目前可以選擇的動力裝置主要包括孤立螺旋槳和涵道風扇。相比孤立螺旋槳，盡管涵道風扇結構形式稍微復雜，但也因為涵道的存在，整個動力系統的安全性和高效性得到了很大提升[3-4]。主要體現在：①由于涵道的環括作用[5]，極大地減弱了螺旋槳的噪聲，乘員舒適性更好，也更利于偵察、低空突防等軍事活動；②涵道能夠在螺旋槳的流場中產生可觀的附加拉力，大幅提高動力系統的效能，減少燃油消耗。

涵道與螺旋槳的氣動干擾具有高度的復雜性，也是氣動設計重點關注的部分之一。伴隨著涵道風扇系統的設計發展，國內外的眾多研究人員應用數值方法對其進行了分析研究。國外方面，Robert等[6]將葉素理論和勢流理論相結合，建立了涵道風扇氣動力計算程序，該程序簡潔高效但是計算精度較低；Ignacio等[7]提出了一種通過組合涵道螺旋槳各部分氣動性能的計算方法，該方法效率很高，但是計算精度依賴于大量的試驗數據。國內的涵道風扇數值模擬研究盡管開展較晚，但是發展迅速。徐國華等[8]根據直升機的旋翼理論提出了涵道風扇的滑流理論；李建波等[9]基于試驗對涵道的升阻特性進行了研究；徐嘉等[10]基于自適應笛卡爾網格對涵道風扇模型進行了數值計算，研究了涵道參數的初步影響；許和勇等[11]使用非結構嵌套網格模擬槳葉轉動，對孤立螺旋槳和涵道風扇的氣動特性進行了無黏計算；朱敏等[12-13]使用非結構網格開展了涵道與螺旋槳的動靜干擾研究。李曉華等[14]開展了涵道風扇外形參數的影響研究，對唇口外形、擴張角和涵道高度等因素變化后的氣動力特性進行了數值計算分析；葉坤等[15]基于動量源法，對涵道外形進行了優化設計，分析了涵道附加拉力產生的原因；叢偉[16]對涵道風扇系統中的槳葉總距角、涵道迎角、槳葉涵道間隙等因素的影響進行了研究，初步揭示了這些參數對氣動力特性的影響規律。盡管涵道風扇的氣動力數值模擬取得了較多的研究成果，但是由于涵道與螺旋槳槳尖之間的強烈氣動干擾，準確捕捉涵道附加拉力的計算方法還有待發展，且影響涵道風扇系統氣動性能的參數機理并不明朗，需要開展更為深入的研究。

基于滑移網格技術，建立了涵道風扇系統的非定常計算方法，以某涵道風扇模型為例，對其懸停狀態的性能進行了計算以及試驗對比驗證，分析了黏性效應對計算精確性的影響；并進一步分析研究了槳尖-涵道間隙和槳盤位置對系統整體氣動力特性的影響機理，明確了這些參數對涵道風扇系統的影響規律。

1 數值計算方法及驗證

1.1 數值計算方法

本文使用的控制方程為積分形式的三維可壓縮非定常NS方程，其表達式為

(1)

式中，V為任意控制體,W是守恒變量,F為無黏(對流)通矢量項,Fv為黏性通量,?V為控制體的邊界,n為控制體邊界單位外法向矢量,Re為計算的雷諾數。

計算使用的湍流模型為對逆壓梯度流動模擬精度較高的k-ωSST(切應力輸運)模型[17]。

1.2 滑移網格技術

槳葉與涵道之間存在強烈的非定常氣動力干擾,描述這種現象的關鍵是對螺旋槳轉動引起的非定常氣動效應的準確計算。本文采用滑移網格技術[18]來模擬螺旋槳的旋轉運動,將計算域分為動靜區域,兩者之間使用滑移交界面進行連接。交界面

實際上是一對形狀完全相同的幾何面,動域網格整體沿著交界面進行運動。由于交界面上的網格不需要對齊,通量傳遞通過節點之間的信息插值實現,極大地方便了復雜模型的仿真分析。其基本原理見圖1。

圖1 滑移網格技術

2 計算模型及網格

本文使用某垂直起降飛行器上實際應用的涵道風扇系統進行計算分析,其基本外形如圖2所示。涵道內外徑分別為499.3 mm,437.8 mm,涵道長度為263.8 mm,槳盤直徑為430.4 mm,槳轂直徑為100.4 mm,槳-涵道間隙最小值為3.7 mm。

基于滑移網格技術,將流場域分為包含涵道的靜域以及包含螺旋槳的動域,在槳-涵道間隙中間位置設置交界面,兩部分網格分別由ANSYS ICEM CFD生成。其中靜域使用結構網格,螺旋槳轉動區域使用非結構網格,在涵道前后緣、槳尖以及槳-涵道中間等部位進行了網格加密。涵道以及槳尖表面網格如圖3～4所示。總網格量1300萬,其中靜域500萬,動域800萬。

圖2 涵道風扇系統模型圖3 涵道風扇表面網格圖4 槳尖表面網格

3 計算結果分析

3.1 計算方法驗證

首先對本文基于滑移網格的非定常氣動力計算方法進行驗證。驗證試驗在西北工業大學開口風洞試驗段完成,試驗來流速度為0,海拔高度H=300 m,大氣壓97 880 Pa,環境溫度8℃,風扇槳距角為26°,槳葉轉速6 500 r/min,槳葉和涵道壁面的最小間隙為3.7 mm。使用測力天平和扭矩測量儀來得到風扇系統的拉力和扭矩值,試驗模型和設備如圖5所示,注意本試驗的目的在于驗證方法的有效性,考慮到成本和效率,模型的支撐系統并未做外形整流,因此試驗結果精度可能受到影響。計算參數與試驗完全一致,考慮黏性的影響。基于本文的非定常方法計算得到的涵道風扇系統拉力值和扭矩值與試驗結果對比如表1所示。由表可見,懸停狀態下的拉力計算誤差為5.4%,扭矩誤差為8.75%,符合工程應用范圍的誤差要求,表明該計算方法是較為精確可靠的。若計算時考慮未整流的支撐系統,精度可以進一步提高。

圖5 風洞試驗

項目涵道風扇拉力/N涵道風扇扭矩/(N·m-1) 試驗測量值97.426.85 本文計算值102.729.2 計算值偏差偏大5.4%偏大8.75%

3.2 黏性效應影響

附面層的黏性效應對于一般飛行器的氣動特性有著重要的影響，由于涵道與螺旋槳之間的間隙較小，生成附面層網格十分復雜，因而對于涵道風扇的氣動特性計算分析較少考慮黏性效應，然而事實上，螺旋槳和涵道的流動均屬于黏性流動，兩者所處位置的當地馬赫數不同，因而黏性附面層的厚度也有所不同。2種不同厚度分布的邊界層在槳尖處相互摻混干擾，對應的堵塞、阻力和能量損失都會發生相互影響，改變了局部流場特性，最終影響了整體的氣動性能。本節則針對黏性效應的影響進行數值計算分析，對比無附面層和帶附面層2種情形下的涵道風扇系統氣動力變化。

圖6～7分別顯示了槳尖幾何附近的有/無附面層網格的剖面圖。對比計算自由來流為40 m/s時不同偏角下的涵道氣動特性，該偏角定義為來流方向與螺旋槳轉軸的夾角。計算結果與試驗值的對比見圖8。考慮黏性的計算結果拉力值與試驗值的最大誤差不超過5%，扭矩最大誤差不超過15%，而無黏結果的拉力和扭矩計算誤差最大為7%,20%,可以看出考慮附面層黏性效應的計算結果與試驗值吻合得更好，也說明在對涵道風扇系統進行氣動力計算分析時，需要盡可能考慮涵道和槳葉附面層的黏性效應的影響。

圖6 無附面層槳尖體網格剖面圖7 帶附面層槳尖網格剖面

圖8 40 m/s來流時試驗值與計算值對比

事實上，對于涵道風扇系統，涵道的附加拉力來源于自身前緣吸力低壓區和后部高壓區的壓差，而造成這種差異的主要原因是螺旋槳集流引起的氣流變化，同時由于涵道對螺旋槳的環括作用使得螺旋槳槳尖渦被抑制，槳-涵之間的黏性附面層相互干擾強烈，整體上減少了螺旋槳尾流的能量損失并提高其氣動效率，而孤立的螺旋槳并不存在這種現象，因此黏性效應表現得不明顯。所以對于涵道風扇系統，需要特別關注槳葉和涵道之間的黏性干擾。

4 螺旋槳與涵道本體之間相關參數影響分析

4.1 槳-涵道間隙的影響

既然涵道風扇系統的氣動力與螺旋槳前后總壓變化有密切關系，那么必須對槳-涵道間隙的大小影響進行分析。該參數直接表示了涵道內部的總壓“傳遞”程度，其值越小，表明涵道內部的封閉性越好，則螺旋槳向涵道傳遞的總壓損失最小。本小節針對懸停時不同槳-涵道間隙值下的系統氣動力進行計算，深入分析該參數的影響機理。

槳-涵道之間的間隙取為1.75 mm,2.40 mm,3.05 mm,3.70 mm,4.35 mm,5.00 mm，螺旋槳轉速為4 100 r/min。計算得到的系統總體和部件的拉力隨間隙的變化見圖9。結果表明，隨著間隙的增大，涵道的拉力減小，螺旋槳拉力幾乎不變，總拉力減小。當間隙由1.75 mm增大到5 mm時，涵道的拉力減少了31%。可以看出，槳尖間隙的大小對涵道風扇整體氣動特性的影響非常巨大。

圖9 不同間隙下的拉力

圖10為間隙為1.75 mm,3.05 mm,4.35 mm和5.00 mm時槳尖位置流場局部放大圖。從圖中可以看出，隨著間隙增大，涵道的環括作用不斷減弱，對于槳尖渦的抑制作用減小。由于槳尖渦的存在對于系統能量是一種耗散，間隙越大，則槳尖渦越強，能量損失越大，氣流的品質也會下降。從圖中可以看出，隨著槳尖渦強度的增大，誘導出的回流不斷向涵道前緣發展，流經前緣的氣流分離增強，在唇口內部形成“堵塞”區域，氣流的流動受到一定的阻滯，導致了前緣整體吸力的下降，因而涵道的拉力隨之減小。

圖10 不同槳尖間隙時槳尖附近流線局部放大圖

涵道風扇氣動效率的提高的原因之一是涵道對槳尖渦的抑制，因此，涵道的氣動效率隨著間隙的增大而減小，這對涵道風扇的設計是不利的，但是過小的間隙對制造安裝精度都有著極高地要求，實際的設計中需要綜合氣動效率和成本代價進行權衡。

4.2 槳盤位置的影響

涵道風扇系統的螺旋槳感受到的是經過涵道唇口整流后的氣流，可以說流場品質直接影響著螺旋槳的流場，進而影響整體的氣動性能，因此，需要分析槳盤位置的影響。

選擇7個不同的槳盤位置，即螺旋槳中心距離涵道唇口距離：53.9 mm,63.9 mm,73.9 mm,83.9 mm,93.9 mm,103.9 mm,113.9 mm，如圖11所示，螺旋槳轉速同樣設定為4 100 r/min。

使用基于滑移動網格技術的非定常方法進行懸停狀態計算，拉力計算值如圖12所示。由結果可知，當螺旋槳槳盤中心與涵道唇口距離增大時，涵道的總拉力先增大后減小；螺旋槳的拉力先幾乎不變，然后有所減小，最后再次不變；涵道的拉力先增大，然后幾乎不變，最后有所下降。涵道總拉力的變化主要是由涵道拉力的變化引起的。

圖11 槳尖位置局部放大圖

圖12 涵道與螺旋槳拉力隨槳盤位置變化曲線

圖13為槳盤中心距離唇口為53.9 mm,73.9 mm,103.9 mm,113.9 mm時的槳尖位置流線圖。可以看出，槳盤位置移至距離唇口73.9 mm時，槳尖渦的影響范圍逐漸減小，涵道對槳尖渦的抑制作用不斷增強，其原因一方面是流場在經過涵道內壁面整流后品質更佳，另一方面則是槳盤在移動過程中與涵道內壁的距離逐漸減小，涵道的環括作用更加明顯，因而涵道拉力增大；當位置移至距離唇口103.9 mm時，槳尖-涵道間隙距離幾乎不變，而槳尖渦經過涵道整流后形狀變成狹長條狀，在這一段范圍，涵道的拉力幾乎不變；繼續增大槳盤和唇口距離，間隙增大，涵道的整流作用隨著截面形狀有所減弱，綜合作用下涵道的拉力有所下降。

槳盤位置對于涵道氣動特性的影響之一體現在槳葉和涵道內壁面的最小間隙的改變。當槳盤位置移動到間隙最小時，螺旋槳的槳尖渦被抑制，氣流的能量損失最小，此時不但螺旋槳自身的氣動效果更佳，對于涵道的正面誘導作用也最為顯著。除此之外，氣流通過涵道前緣集流進入槳盤面時，需要涵道內壁面的整流，以保證氣流穩定性。槳盤太靠近涵道唇口時，氣流的不穩定容易在槳葉翼面上形成局部分離，減小拉力；槳盤太靠后時，盡管氣流整流較好，但是涵道的環括作用可能減弱。因而綜合來看，槳盤位置引起的涵道氣動特性變化主要與涵道形狀的整流以及移動后的槳尖-涵道間隙兩者綜合作用相關。