共轴双旋翼涵道风扇的气动特性研究

周凌宇，吕琼莹，杨柳

（长春理工大学机电工程学院，长春　130022）

共轴双旋翼涵道风扇的气动特性研究

周凌宇，吕琼莹，杨柳

（长春理工大学机电工程学院，长春130022）

利用CFD软件对涵道风扇进行虚拟仿真，对共轴反桨双旋翼涵道风扇的空气特性进行分析。通过改变双旋翼的间距及飞行速度条件下仿真，对共轴反桨双旋翼涵道风扇气动特性的分析。结果表明，涵道距离对涵道扇有拉力有影响，但并不明显。在扰流的影响下，上桨盘产生的升力要小于下桨盘所产生的升力，并且涵道风扇不适合高速飞行。

共轴双旋翼；CFD；桨间距

同轴反桨双旋翼涵道风扇与传统单桨涵道风扇相比，有着独特的优势，首先，上下旋翼产生的反向扭矩会互相抵消，省去了无人机的尾桨，使无人机的结构变得更加紧凑。其次，同轴反桨双旋翼涵道风扇对单旋翼涵道相比可以大幅度的提高涵道风扇的性能，在无人机的飞行过程中，无人机的飞行速度、唇口部位气流扰流、旋翼与涵道之间产生的扰流和上下旋翼之间的气流干扰，这些都使同轴双旋翼涵道风扇的空气流场更加复杂。为了对共轴双旋翼风扇空气性能的优化，对共轴双旋翼风扇进行CFD数值模拟分析具有重要的意义［1-3］。

目前，由于涵道风扇优越的空气动力性能，已经在世界范围内广泛使用，也有许多学者对涵道风扇进行了大量的理论研究。Kriebel A R通过对涵道风扇的研究，得出了在不同攻角下涵道风扇的静拉力、扭矩和俯仰力矩之间的关系［4］。美国的Graf W等学者，通过分析所知，涵道唇口形状对涵道风扇的拉力、俯仰力矩、涵道壁面压力甚至涵道无人机的整机飞行性能都有影响［5］。Timothy E.Lee通过对共轴双旋翼涵道风扇模型的实验，其主要研究内容为上旋翼与下旋翼之间的间距、旋翼的安装高度、涵道唇口形状、旋翼桨尖与涵道内壁的桨尖间距这些参数对同轴双旋翼涵道风扇系统性能的影响［6］。

综上所述，目前国外学者主要对双旋翼涵道风扇在悬停的状态下性能进行了分析，并没有在不同巡航速度以及不同的转速和桨间间距这些参数之间的关系进行分析。

1　计算模型及数值模拟

1.1计算模型

同轴反桨双旋翼涵道风扇模型如图1所示，旋翼设计参数如表1所示，涵道设计参数如表2所示。

图1　同轴反桨双旋翼涵道风扇模型

表1　旋翼参数

表2　涵道参数

在同轴反桨双旋翼涵道风扇的模拟过程中将计算区域分为5部分，具体划分如图2所示。

图2　同轴双旋翼涵道风扇模拟区域划分

1.2共轴双涵道风扇的空气动力学模型

目前尚无带涵道的共轴双旋翼空气动力理论可供参考，本文参考共轴双旋翼数学模型，通过引入涵道拉力因子q的方式，给出共轴双旋翼涵道风扇的动力学模型。

式中，a01，a02，a11，a12，b11，b12分别是下、上旋翼的锥度角，纵向及横向挥舞一阶谐波系数，θ012为总距，θ01为旋翼差动变距，A1，B1分别是横向、纵向周期变距；θt是桨叶线性扭转率，φ表示桨叶方位角。

式中，vi1，vi2为上下旋翼任意一点的轴向诱导速度，v1，v2为桨盘处固有平均诱导速度。δ1，δ2为共轴双旋翼涵道风扇的干扰因子，与桨间间距和飞行状态有关，K1，K2为经验系数。δ1的取值范围为0≤δ1≤2，δ2的取值范围为0≤δ2≤1。

双旋翼涵道风扇中，下旋翼拉力T1，俯仰力矩M1，可表示为：

其中，m为旋翼单位长度质量，Nb为桨叶数量，e是桨叶挥舞铰外伸量，az，dFzb分别为桨叶展向坐标系中叶素的当地加速度和气动力。

1.3边界条件及求解器参数设置

对于入口的设定压力为零，设定出口压力为零，壁面满足无滑移条件，旋转区域设定旋翼的转速，设定静止区域的转速同样为零，并设定静止区域与外部区域具有相关性，interface是各个区域信息的传递面。

在压力速度耦合方程的选择上SIMPLEC，湍流模型选择k-ε（RNG）湍流模型，插值方法采用的是Green-Gauss Note Based，在压力插值的设定上选择PRESTO！。

2　结果分析

2.1桨盘间距与升力之间的关系

在本文中采用5种不同的同轴双桨桨间间距进行模拟分析，在悬停的条件下，其中双桨间距与桨叶半径之比分别为0.15R、0.2R、0.25R、0.3R、0.4R。

上桨盘与下桨盘压力分布云图如图3和图4所示。双旋翼涵道风扇速度矢量云图如图5所示。双旋翼涵道风扇轴向速度如图6所示。

图3　上桨盘压力分布

图4　下桨盘压力分布

图5　双旋翼涵道风扇速度矢量云图

图6　双旋翼涵道风扇轴向速度

图7　升力与H在不同转速下的关系

通过图7的数据比对可以看出，当H在不同高度下升力会存在少许不同，差别不是很大，通过对不同H的比较，可以看出当H=0.25R时，同轴双旋翼涵道风扇存在最大升力。

2.2飞行速度与风扇之间的关系

无人机在巡航状态下，涵道轴向与飞行方向相同，在不同飞行速度条件下，对无人机在速度为0m/ s，5m/s，10m/s，15m/s，20m/s和25m/s的飞行速度条件下，在不同转速下的飞行性能如图8所示。

图8　涵道风扇不同速度下的升力

通过分析所得数据可知，风速大小对同轴双旋翼涵道风扇性能有重要的影响，当风速不断增大时，涵道风扇的升力会急速下降，在转速不足时升力可能为负值。可以看出当飞行速度从0m/s到20m/s时，同轴双旋翼涵道风扇的升力性能减少54%。通过轴向的压力云图就可以解释这一问题，风速越大涵道唇口区域的相对负压区间压力降低，导致涵道风扇升力的大幅度降低。从数据结果可知，涵道风扇在轴向飞行方面的性能不佳。

2.3上桨盘与下桨盘的升力关系

首先主要对同轴反桨双涵道风扇在悬停状态不同转速下进行不同的数据分析，分别在3000rpm，4000rpm，5000rpm，6000rpm，7000rpm，8000rpm的条件下进行数据模拟。数据结果如图9表示的为上下桨盘升力与转速的关系图，图10为转速与上下桨盘扭矩的关系。

图9　上下桨盘升力与转速之间的关系

图10　转速与扭矩之间的关系

在模拟结果中可以看出，上桨盘所产生的升力要略小于下桨盘所产生的升力。通过图10可以看出扭矩会随着转速的升高而逐渐增加，但通过与单旋翼涵道风扇对比，上下桨盘所产生的扭矩都要小于单旋翼涵道风扇所产生的扭矩。存在这种结果的原因在于上下旋翼之间存在扰流，有一部分的能量转化为克服扰流所做的功。

3　结论

（1）桨盘间距对涵道风扇的升力的影响不是很大，当H=0.25R的条件下，升力最大。

（2）涵道风扇会随着飞行速度的提高而迅速损失涵道风扇的升力，所以涵道风扇不适合高速飞行。

（3）在扰流的作用下，双旋翼涵道风扇上桨盘所产生的升力要略小于下桨盘所产生的升力。

［1］许和勇，叶正寅.悬停共轴双旋翼干扰流动数值模拟［J］.航空动力学报，2011，26（2）：453-457

［2］姬乐强，朱清华，崔钊，等.共轴双旋翼自转气动特性［J］.航空动力学报，2012，27（9）：2013-2020.

［3］邓敏，陶然，胡继忠.共轴式直升机上下旋翼之间气动干扰的风洞实验研究［J］.航空学报，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］胡军，张建国，傅旻，等.基于虚拟样机技术的新型槽轮机构的性能研究［J］.机械设计与制造，2009（3）：147-149.

［9］唐进元，周炜，陈思雨.齿轮传动啮合接触冲击分析［J］.机械工程学报，2011（7）：22-30.

［10］陈思雨，唐进元，谢耀东.齿轮传动系统的非线性冲击动力学行为分析［J］.振动与冲击，2009（4）：70-75.

［11］郭会珍，谭长均，陈俊锋.基于Adams的行星轮系动力学仿真［J］.机械传动，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，硕士研究生，E-mail：1369090322qq.com

吕琼莹（1963-），男，研究员，E-mail：eo126@126.com