扇翼無人機前緣開角非定常氣動特性仿真研究

王旭 何先定 劉明鑫

扇翼無人機是一種新概念無人機，扇翼無人機橫流風扇葉片的翼型、尺寸、位置、數量、安裝角，以及來流速度、扇翼前緣開角等因素，都會顯著影響扇翼無人機的氣動特性。為了探究扇翼無人機隨這些影響因素的變化規律，本文建立了7個不同前緣開角的2D扇翼模型，通過數值仿真計算的方法重點研究了扇翼前緣開角、來流速度、風扇轉速對扇翼氣動特性的影響。結果表明，當扇翼幾何參數一定時，在一定范圍內提升轉速和改變來流速度均能有效提升扇翼的升、推力特性;增大前緣開角，能夠增加扇翼表面氣流流速、增大偏心渦強度，增加扇翼的升力和推力;在使用過程中應根據實際需要做好前緣開角、來流速度和風扇轉速三者的匹配。

扇翼無人機作為一種新概念無人飛行器，因其飛行效率高、載荷大、結構簡單、可短距起降的優點，在軍事及民用領域獲得了較大的發展優勢，逐步成為了飛行器領域新的研究熱點。扇翼無人機構型如圖1所示。

普通機翼僅能產生升力而產生不了推力，而扇翼無人機通過在固定翼飛機機翼前緣安裝橫流式風扇，不僅可以為無人機提供升力還能提供推力，其工作原理如圖2所示。從圖中可看出，氣流流過扇翼時被分為兩部分，一部分氣流經過旋轉葉片加速，從扇翼上緣流過，沿著機翼后緣斜面流出。另一部分氣流被橫流風扇吸入，在葉片中心偏左下方位置形成一個顯著的低壓偏心渦。

扇翼的升力主要來源于兩部分，一是風扇轉動時，機翼后緣斜面上下表面由于空氣流速不同，形成壓力差，產生小部分升力;另一部分則來自于風扇內部形成的低壓偏心渦，使得機翼前半部分圓弧形區域的上下表面產生較大壓力差，從而產生升力。扇翼的推力也來自于兩部分。一部分推力是葉片轉動時，葉片推動氣流向后排出，氣流為葉片提供的向前的反推力;另一部分推力來自于偏心渦，由于低壓偏心渦大多形成于風扇內部偏右下方的位置，這就影響了扇翼水平方向的壓強分布。進而產生一個向前的推力。

扇翼無人機橫流風扇葉片的翼型、尺寸、位置、數量、安裝角，以及來流速度、扇翼前緣開角等因素都會顯著影響扇翼無人機的氣動特性，本文通過數值計算的方法重點研究扇翼前緣開角、來流速度、風扇轉速對扇翼氣動特性的影響，以期為扇翼無人機設計提供有益的參考。

數值計算方法

控制方程

控制方程包含質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，各方程定義如下：

邊界條件和初始條件

本文的數值計算中，設置的邊界條件為速度入口、壓力出口和無滑移壁面邊界。在本文中，設定的扇翼橫流風扇的最大轉速為2000rpm。風扇葉片的最大葉尖速度小于Ma 0.3，因此在數值計算中，將氣流作為不可壓縮氣體。

計算模型

為了方便研究，本文將扇翼的三維模型簡化為二維模型。參照文獻，建立如圖3所示的扇翼機機翼模型，橫流葉片構型如圖4所示。機翼、橫流葉片尺寸參數見表1。

網格生成

本文采用非結構網格對計算域進行網格剖分，同時采用滑移網格處理葉片的旋轉問題。處于風扇葉片附近的網格隨葉片一起轉動，而其它部分的網格則靜止不動。為了更好地反應葉片及機翼周圍的流動情況，對葉片與機翼周圍的網格進行了網格加密。計算域及整體網格如圖5所示，扇翼附近網格加密區如圖6所示，葉片及機翼附面層網格如圖7所示。

扇翼氣動特性仿真結果及分析

升力特性分析

（1）不同前緣開角下轉速對升力的影響

取來流速度為5m/s，迎角為0°，橫流風扇轉速為750rpm、1000rpm、1250rpm、1500rpm、2000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數值計算結果進行分析。圖8為迎角a=0°、速度v=5m/s時不同前緣開角下扇翼升力隨橫流風扇轉速的變化曲線圖。從圖中可以看出，當前緣開角不變時，隨著風扇轉速的增大，升力也不斷增大;升力隨著前緣開角的增大而增大。

（2）不同前緣開角下來流速度對升力的影響

取來流速度為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s，迎角為0°，橫流風扇轉速為1000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數值計算結果進行分析。從圖9中可以看出，在大多數情況下，當前緣開角一定時，升力隨來流速度的增大先增大后減小，在v=20m/s時達到最大值;而當來流速度較小（例如v=5m/s）時，增大前緣開角對提升扇翼升力有正面影響。

由此可以得出，當扇翼幾何參數一定的情況下，在一定范圍內提升轉速和改變來流速度均能有效提升扇翼的升力特性;在小來流速度（v<5m/s）下增加前緣開角角度也能顯著提升其升力。

推力特性分析

（1）不同前緣開角下轉速對推力的影響

取來流速度為5m/s、10m/s，迎角為0°，橫流風扇轉速為750rpm、1000rpm、1250rpm、1500rpm、2000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數值計算結果進行分析。圖10所示為迎角a=0°、速度v=5m/s時不同前緣開角下扇翼推力隨橫流風扇轉速的變化曲線圖。從圖中可以看出，在前緣開角不變的情況下，扇翼推力隨著橫流風扇轉速的增大而增大;扇翼推力也隨著前緣開角的的增大而增大，且前緣開角越大，橫流風扇轉速對推力的影響越明顯（曲線越陡）。

（2）不同前緣開角下來流速度對推力的影響

取來流速度為5m/s、lOm/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s，迎角為0。，橫流風扇轉速為1000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數值計算結果進行分析。從圖11中可以看出，隨著來流速度的增加，推力值逐漸減小，由正值變為負值，當推力變為負值時，此時扇翼不僅不能產生推力，反而還會產生阻力，阻礙扇翼向前運動;而后，隨著來流速度的進一步增大，扇翼產生的阻力也逐漸增大，且阻力增大的速度也越來越快，即圖中曲線的斜率越來越大;另外，隨著前緣開角的增大，扇翼推力也逐漸增大。

由此可以得出，當扇翼幾何參數一定時，在一定范圍內提升轉速、減小來流速度均能有效提升扇翼的推力特性;增加扇翼前緣開角能顯著其推力。

流場分析

圖12、13所示為來流速度5m/s，迎角0°，前緣開角30°時，不同橫流風扇轉速下的扇翼速度云圖和壓力云圖。從速度云圖可以看出，隨著風扇轉速的增加，風扇葉片、風扇內部中心、機翼后緣氣流流速明顯增加。而從壓力云圖看出，隨著風扇轉速的增加，風扇中心的壓力逐漸降低，即偏心渦的強度逐漸增強，扇翼上下翼面壓力差逐漸加大，升力逐漸增加。

圖14、15所示為前緣開角30°、迎角0°、風扇轉速1000rpm時，不同來流速度下的扇翼速度云圖和壓力云圖。圖中可知，隨著來流速度的增加，風扇內部和扇翼后緣的流速增大;隨著來流速度的增加，風扇內部的偏心渦強度逐漸增強，扇翼前下弧形段壓力逐漸增加，扇翼上下表面壓差逐漸增大，升力逐漸增大，并且前后壓差逐漸增大，扇翼推力逐漸減小，甚至變為阻礙扇翼流動的阻力;當來流達到v=40m/s時，來流劇烈流過風扇內部，破壞了內部偏心渦，使得扇翼升力開始極具下降。

圖16、17為來流速度5m/s、迎角0°、風扇轉速1000rpm時，不同前緣開角下的扇翼速度云圖和壓力云圖。從圖中可以看出，隨著前緣開角的增大，扇翼葉片周圍氣流流速，扇翼后緣的流速均顯著增大，風扇內部偏心渦的強度逐漸加大，扇翼升力增加，推力增加。因此，合理增大扇翼前緣開角對提升扇翼升推力特性大有裨益。

綜上所述，可得出：

（1）當扇翼幾何參數一定時，在一定范圍內提升轉速和改變來流速度均能有效提升扇翼的升力特性;

（2）當扇翼幾何參數一定時，在一定范圍內提升轉速、改變來流速度均能有效提升扇翼的推力特性;

（3）增大前緣開角，能夠增加扇翼表面氣流流速、增大偏心渦強度，增加扇翼的升力和推力。

（4）前緣開角、來流速度、轉速均能顯著影響扇翼的氣動特性，在使用過程中應根據實際需要做好三者的匹配。