串列式扇翼布局流动特性数值研究

史振海， 杨未柱， 路秀儒， 岳珠峰

1.北京机电工程研究所， 北京 100074 2.西北工业大学 力学与土木建筑学院， 西安 710072

串列式扇翼布局流动特性数值研究

史振海1,*， 杨未柱2， 路秀儒1， 岳珠峰2

1.北京机电工程研究所， 北京 100074 2.西北工业大学 力学与土木建筑学院， 西安 710072

扇翼能够通过前缘横流风扇的高速旋转对前方来流进行加速和重新整流。利用这一特点提出了一种串列式扇翼布局，其由一定间距和空间高度分布的前后双排或多排扇翼组成，并基于二维模型对该布局开展了流动数值模拟，分析得到了不同前后间距、高度差以及排数下串列式扇翼布局的升力和推力特性。结果表明，相对单个扇翼，在合适的设计参数下串列式扇翼可得到更大的单排平均升力和推力，其中间距一倍风扇直径的四排扇翼平均升力和推力分别提高了约10%和30%。基于扇翼附近流场分布和翼型上下表面压强分布，分析了引起升力和推力提升的原因。该研究可为未来设计具有更好低速大载荷特性的扇翼飞行器提供参考。

扇翼； 气动布局； 流动特性； 间距； 排数

百余年的飞机发展史是一个不断进行概念创新和技术突破的过程，在此过程中，横流风扇和传统固定翼的结合为飞机的分布式推进和流动控制提供了独特的思路，研究者们将横流风扇以各种构造形式内嵌于机翼中，以期达到增升、减阻、矢量推进和改良失速特性等目的[1-4]。1998年，Peebles[5]将横流风扇安装于固定翼前缘的上表面，创造了一种具有低速大载荷特性的新型飞行器——扇翼飞机。扇翼飞机利用机翼前缘横流风扇的旋转同时产生升力和推力，这种新的飞行原理引起了工业界和学术界的广泛关注[6-7]。

与传统固定翼飞机相比，扇翼飞机最突出的优势在于其显著的低速大载荷特性，这一特性与其产生升力的独特原理密切相关。风扇的旋转一方面加速了流经后缘上表面的气流，另一方面在风扇内部形成了显著的低压涡旋区，这两方面均对扇翼的大载荷特性有着重要贡献[7]。然而风扇的旋转也导致扇翼内部和周围的流动具有高度复杂性，因此学者们通过试验和数值模拟等方式开展了大量的相关研究[8-13]，这些为扇翼飞行器设计提供了理论指导。此外，学者们还进行了多种优化设计以改良扇翼的气动特性。Duddempudi等通过数值计算表明去除风扇内转轴、减小风扇出口处翼型高度(Housing Exit Height)以及适当延长翼型后缘长度可以大幅提高升阻比[14]。Askari和Shojaeefard通过对6种不同翼型升阻力特性的对比研究发现下表面有一定上凹曲率的翼型可以同时提高升力并减小阻力[15]。国内的蒋甲利等[16]和唐荣培[17]通过风洞试验研究了叶片宽度和叶片偏角等参数对扇翼气动特性的影响。张银辉以Askari的计算结果为参考，通过非定常数值模拟研究了低压涡旋的形成过程，并进一步分析了叶片数量、入流角和叶片安装角等参数对扇翼翼型气动特性的影响，确定了最佳几何参数[18]。以上数值模拟均在二维翼型上开展，最近芦志明等对三维扇翼模型开展了几何参数的影响研究[19]。通过以上研究，扇翼的基本飞行原理以及翼型参数的影响规律已渐趋明了，然而在总体布局和构型对扇翼飞机飞行性能的影响方面，相关的研究成果较少。目前已知的是，高平尾和双垂尾有利于减小飞行阻力和提高低速操纵功效[20]。这相比于固定翼飞机总体布局的多样性(前后掠翼、鸭翼、多翼面、双机身和飞翼布局等)略显单一，故开展扇翼飞机总体布局的创新设计并进行相关的数值研究，为更充分地发挥扇翼的低速大载荷特性提供更多的可能性具有重要的工程意义。

扇翼能够通过横流风扇的高速旋转对前方来流进行加速和重新整流，本文利用这一特点提出了一种串列式扇翼布局，这种布局由有一定间距和空间高度分布的前后两排或多排扇翼组成。由于前后排扇翼之间的相互影响，此布局有可能进一步提高扇翼的低速大载荷特性。为验证此种可能性，本文采用数值方法研究了前后间距，排数以及相邻扇翼高度差等3个重要参数对该布局升力和推力特性的影响，研究结果可为未来扇翼飞行器的设计提供参考。

1 扇翼模型与数值计算方法

1.1 扇翼模型

图1给出了串列式扇翼布局的示意图。采用的单个扇翼几何模型借鉴了文献[15]的研究结果，下翼面采用上凹曲面的形式，这种形式可以增升减阻。但与之不同的是其采用的叶片安装角为30°，而本文模型采用文献[18]得到的最佳叶片安装角为0°，以获得更好的升力特性。其他的几何参数包括弦长l=330 mm、风扇直径2r=180 mm、叶片数量为12、入流角为30°，如图2所示。

图1 串列式扇翼布局示意图Fig.1 Schematic of tandem fan-wing configuration

图2 扇翼几何形状尺寸及计算网格划分Fig.2 Geometry shape and dimensions of fan-wing and its computational meshing

1.2 数值计算方法及验证

采用二维模型对扇翼开展流动数值模拟，图2 给出了分析所用的整体流场与扇翼局部网格，可以看出在靠近翼型固体边界的地方适当加密了网格，以更准确地捕捉扇翼附近的流动特性。流体方程的求解采用基于SIMPLE算法的压力-速度耦合求解器，选用标准k-ε模型模拟湍流。模拟所用计算条件包括，空气密度取为1.225 kg/m3，温度为300 K，环境压强p∞=101 325 Pa，来流速度选为文献中常用的v∞=10 m/s，迎角设为0°。为了模拟风扇的旋转，采用滑移网格技术，将风扇叶片区域设定为旋转域，内外设定为静域，不同区域之间用交界面传递压强、流速等信息。非定常计算还涉及到时间步长的问题，综合考虑计算效率、收敛性和准确性，本文把风扇旋转一周的时间划分为200个时间步，另外为了获得稳定的流场，所有算例都进行了25个周期的计算，并在计算过程中监测升力系数曲线，25个周期的时间可以保证所有算例中升力系数曲线最终趋于收敛。

为了验证本文数值方法的准确性，对单排扇翼在不同转速Ω下开展了数值模拟，并与文献结果进行对比。图3将本文计算方法得到的单排扇翼升力L和上下翼面压强(p-p∞)分布与文献[15]进行了对比，可以发现本文所得的上下翼面压强分布与文献有相同的趋势，但本文扇翼上翼面压强要比文献所得的小近300 Pa，文献中扇翼升力仅约为本文所得升力的64%，这是叶片安装角不同导致的。文献[18]的计算结果显示，升力随着叶片安装角的增大而减小，当安装角为20° 时扇翼产生的升力约为0°安装角扇翼升力的70%，而Askari计算时采用的叶片安装角为30°，故本文模型得到较大的升力是合理的。图4进一步对比了扇翼附近的流场，从图4中可以看出，本文与文献计算结果大体一致，均在风扇中心区域出现了低压涡，但受不同安装角的影响，低压涡的位置稍有不同，相比文献结果[15]，本文中低压涡的位置偏中下，这对翼型上表面压强有很大影响，进而影响了产生升力的大小。

图3 单排扇翼升力和上下翼面压强分布与Askari[15]计算结果对比Fig.3 Lift and pressure distribution of single fan-wing: present work vs Askari[15]

图4 单排扇翼附近流场与Askari[15]计算结果对比Fig.4 Flow field near single fan-wing: present work vs Askari[15]

2 串列式扇翼布局气动特性分析

串列式扇翼布局由前后两排或多排扇翼组成，由于前后扇翼之间的相互作用，该布局中扇翼附近的流场将不同于单排扇翼的情况，其将具有独特的升力和推力T特性。当布局参数如相对位置或排数等不同时，扇翼间的相互作用会有所差别，因此串列式扇翼布局的气动特性也会随这些布局参数变化。为获知布局参数对该布局气动特性的影响，接下来选取前后间距d(见图5)、相邻扇翼高度差h以及排数N等3个参数，分别取不同值进行建模，并开展流动数值模拟。在以下模拟中，风扇转速均取为3 000 r/min。

图5 不同间距d示意图Fig.5 Schematic of different spacing d

2.1 前后间距的影响

为分析前后间距d的影响(不同间距d示意如图5所示)，以双排扇翼为例，间距从0.8倍风扇直径变化至8倍风扇直径，共建立了10个模型。通过数值模拟得到了前、后排以及平均升力和推力随间距的变化曲线，如图6所示。由图6可以看出，后排扇翼的升力和推力随间距变化剧烈，而前排扇翼的仅在d/2r<1时有比较明显的变化，这说明后排扇翼仅在间距很小时对前排扇翼的气动特性有所影响，而前排扇翼则对后排扇翼的气动特性影响显著，且在大间距时这种影响依然存在，因此平均后的气动特性变化规律与后排扇翼的一致。从升力上看，随着间距的增大，双排扇翼的平均升力先升高后降低，在d/2r=1时达到最大，此时相对单个扇翼产生的升力提高了约7%。平均推力随着间距的增大也是先升高后降低，但其最高点出现在d/2r=2时，比单个扇翼的提高了约3%。

图6 间距对双排扇翼布局升力和推力的影响Fig.6 Effect of spacing on lift and thrust of double-row fan-wing configuration

为进一步阐释两排扇翼之间的相互影响，图7 给出了d/2r=0.8，1.0，2.0，5.0时的扇翼附近压强分布图和速度V大小分布图，图8绘制了相应间距前后排扇翼翼型上下表面的压强分布曲线，为方便曲线对比，采用x-x0作为横轴，其中x0为各扇翼前缘x坐标(下同)。从这些图可以看出，由于相互影响，不同间距下前后排风扇内部低压涡区的压强分布也不相同，而此处的压强分布对升力产生有着重要影响。对比后排的压强分布可以发现，d/2r=0.8，1.0时后排风扇内部的低压涡区压强较小，更为显著，因此这两种情况下后排扇翼的升力更大。结合速度分布云图可以进一步解释低压涡区压强的变化。当间距较小时，经过前排扇翼加速后的气流大部分直接流入后排扇翼的风扇中，气流进一步加速，这使得后排风扇中形成相对前排更为显著的低压涡区；而当间距增大至一定值时，经过前排扇翼加速后的气流则大部分流向后排扇翼下方，一方面对低压涡区的形成无益，另一方面在一定程度上加速了下表面气流，也不利于升力的产生。经过前排扇翼加速的气流影响的距离较大，因此直至d/2r=5.0甚至8.0时，后排扇翼产生的升力依然小于单个扇翼产生的升力。另外，d/2r=0.8时，后排扇翼前缘与前排扇翼后缘在y方向上已有一定重叠区域，此间距下后排风扇的旋转对前排后缘气流产生了较大影响，从图8(a)中可以看出这时前排后缘的压强(红色虚线)明显高于其他间距时的，且其低压区的压强也相对较大，最终导致此间距下前排升力的明显下降。

图7 不同间距下的双排扇翼布局附近流场 Fig.7 Flow fields near double-row fan-wing under different spacing

图8 不同间距下的前后排扇翼翼型表面压强分布Fig.8 Pressure distributions over airfoils of front and back fan-wings under different spacing

对于推力的变化，也可从速度云图和压强分布曲线上进行解释。扇翼推力的产生主要来源于风扇旋转对气流的加速。当d/2r=0.8，1.0时，由于经过前排扇翼加速的气流流入风扇，相当于将后排风扇置于较大速度的来流中，在风扇转速一定的情况下，较大的来流速度将减弱风扇旋转对来流的加速作用，因此这两种间距下的推力较小。当d/2r=2.0时，经过前排风扇的气流则流向后排扇翼前缘下表面，明显加速了后排扇翼前缘下表面的气流，使前缘下表面压强减小甚至小于环境压强(图8(b)中压强分布曲线出现下凹形状)，本来向后的压力变为了向前的吸力，从而导致了推力的增加。而当d/2r继续增加时，经过前排风扇加速的气流不再冲向后排的前缘下表面，而是加速后排扇翼下方的整体流场，这对升力和推力的产生均不利。

综上所述，在合适的间距下，双排扇翼可产生较高的单排平均升力或推力，但引起升力和推力提高的原因不同。升力提高主要由于经过前排风扇加速后的气流流入后排风扇使得其中的低压涡区压强更小；而推力提高则主要由于经过前排扇翼的气流流向后排前缘下表面，减小了当地压强。

2.2 高度差的影响

为研究高度差对串列式扇翼气动特性的影响(不同高度差h示意如图9所示)，在间距d/2r=1.0下，移动前排至不同相对高度h分别建立模型进行流动模拟。本文分析的范围为h/2r=-0.6～0.6，其中负号表示前排高度偏低。图10给出了前后排产生的升力和推力以及平均升力和推力随着高度差的变化。从升力上看，有一定高度差时，单排平均升力较小，但当h/2r=-0.2～0.4时，串列式扇翼的单排平均升力仍然大于单个扇翼的升力。从推力上看，当前排扇翼处于偏低位置时，串列式扇翼的单排平均推力大于单个扇翼的推力，而随着前排扇翼向上移动至与后排平齐或者高于后排时，平均推力会显著下降。不论是升力还是推力，与2.1节中间距的影响类似，后排对前排的影响较小，而前排则对后排的影响随不同排布参数变化显著，平均升力或推力随排布参数的变化规律，也主要取决于后排升力或推力的变化。

图9 不同高度差h示意图Fig.9 Schematic of different height disparities h

图10 高度差对双排扇翼布局产生升力和推力的影响Fig.10 Effect of height disparity on lift and thrust of double-row fan-wing configuration

下面进一步分析不同高度差下升力和推力变化背后的流动特性。图11给出了h/2r=-0.2，0，0.2时，扇翼附近的压强分布云图和速度分布云图；图12绘制了相应高度差下前排和后排翼型上下表面压强分布曲线。由图11和图12可以看出，在此3种高度差下，前排扇翼上下表面压强基本一致，而后排的压强分布曲线则各不相同。结合压强分布云图和速度分布云图来看，前排扇翼高于或低于后排扇翼均会导致较小的平均升力。对于前排扇翼空间位置较低的情况，类似于2.1节中间距较大时，经过前排加速后的气流冲向了后排扇翼下表面，加速了其下表面的气流，以至于在后排扇翼的压强分布曲线上出现了下翼面前缘下凹的形状，最终导致升力下降；而对于前排扇翼空间位置较高的情况，从速度云图上看，相对无高度差情况，此时经前排加速的气流流向后排风扇时，由从前方流入变为了斜向下的冲击，这种冲击对后排扇翼升力的产生是不利的，可以看出此时后排风扇内部低压涡区的压强较大。就推力而言，以上两种不同的流动特性也带来了不同的影响，前者在后排扇翼前缘下表面形成了低压强，这利于推力的产生；而后者中，经过前排加速的气流沿斜下方冲向后排扇翼，这对后排扇翼产生推力是不利的。

综合升力和推力来看，当前排扇翼略低于后排扇翼(h/2r=-0.1)时，虽然平均升力略低于无高度差时的，但实现了平均推力的提升，比无高度差时的提升约25%，比单个扇翼的推力提升约14%。

图11 不同高度差下的双排扇翼布局附近流场 Fig.11 Flow fields near double-row fan-wing under different height disparities

图12 不同高度差下的前后排扇翼翼型表面压强分布Fig.12 Pressure distributions over airfoils of front and back fan-wings under different height disparities

2.3 排数的影响

以上分析均基于双排扇翼的情况，下面进一步分析多排扇翼串列的气动特性。图13给出了多排扇翼的示意图，此时仍使用升力最大所对应的间距(d/2r=1)，从右到左将扇翼依次编号为1,2,…,N。分别针对N=2,3，4时的串列式扇翼进行了流动数值模拟，得到的各排升力和推力以及平均升力和推力绘制于图14中。从升力上看，随着排数增加，平均升力仍继续上升，至4排扇翼时趋于平缓，此时相对单个扇翼平均升力提高了约10%。从推力上看，虽然双排扇翼的平均推力小于单个扇翼的，但当排数继续增加，平均推力明显上升，4排扇翼时的平均推力达到23.5 N，相对单个扇翼提高了约30%。

为进一步分析产生上述变化现象的原因，绘制了4排扇翼时的压强分布云图和速度分布云图，以及各排扇翼上下表面的压强分布曲线，如图15 和图16所示。从图中可以看出，第1排扇翼上下表面的压强分布与单个扇翼的相差无几，但第2排、第3排和第4排则变化显著。从云图上看，由于气流不断被加速，越靠后的扇翼风扇内部形成的低压涡区压强越低，这在压强分布曲线上也有所反映，然而第4排低压涡区的压强并不比第3排的低，两者的上表面压强分布曲线也基本重合，原因在于经过第3排扇翼加速后的气流已经主要流向了第4排扇翼的下表面，此时下表面压强分布曲线出现了非常明显的下凹形状，因此导致了第4排升力较小。其实，下凹形状在第3排的下表面压强分布曲线中已经出现，但第3排相对前排有更显著的低压涡区，因此其升力仍比较大。可以看出，4排扇翼串列时，由于第3和第4排扇翼前缘下表面出现压强分布的下凹形状，这两排的推力明显升高，这也是4排扇翼平均推力大幅提升的关键所在。

图13 不同排数的串列式扇翼布局示意图Fig.13 Schematic of tandem fan-wing configuration with different rows

图14 排数对串列式扇翼升力和推力的影响 Fig.14 Effect of row number on lift and thrust of double-row fan-wing configuration

图15 4排扇翼布局附近流场Fig.15 Flow field near four-row fan-wing configuration

图16 4排扇翼布局中各排扇翼翼型表面压强分布 Fig.16 Pressure distributions over airfoils of each fan-wing in four-row fan-wing configuration

由此可见，增加扇翼的排数可以进一步提高平均升力，且不同于双排扇翼情况，无高度差的多排扇翼布局中靠后的扇翼还出现了引起推力提升的流动特性，从而可同时提高平均推力。

3 结 论

本文提出了一种串列式扇翼布局，并通过数值模拟探究了该布局的气动特性，分析了扇翼前后间距、高度差以及排数对该布局产生升力和推力的影响规律，然后结合流场云图和翼面压强分布曲线阐释了产生这种影响的原因，研究结果表明：

1) 在合适的间距下，双排扇翼布局可获得较高的升力或推力，引起平均升力提升的流动特性为经过前排加速后的气流有助于后排风扇内部形成更为显著的低压涡区；而引起平均推力提升的流动特性为经过前缘加速后的气流加速了后排扇翼前缘下表面的气流，减小了局部压强。

2) 不同间距(0.8～8.0倍风扇直径)下双排扇翼布局的数值模拟显示，1倍风扇直径时产生的升力最大，此时相对单个扇翼平均升力提高了约7%。在此间距下，若前排扇翼略低于后排(0.1倍风扇直径)，可实现平均升力和推力的同时提升，相对单个扇翼平均推力可提高约14%。

3) 等间距(1倍风扇直径)分布的多排扇翼布局中可同时出现以上两种流动特性，实现升力和推力的同时提高。相对单个扇翼，4排扇翼布局的平均升力提高约10%，平均推力提高约30%，优势显著。

通过进一步优化串列式扇翼布局或调整运行参数，如多排扇翼采用不等间距或者各排转速独立控制等，可能得到更优的气动特性，将在未来继续开展优化研究。

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史振海男， 硕士， 助理工程师。主要研究方向： 飞行器总体设计。

Tel: 010-88534283

E-mail: bigmar@163.com

杨未柱男， 博士研究生。主要研究方向： 飞行器多学科优化设计。

E-mail: yangweizhu@mail.nwpu.edu.cn

路秀儒男， 硕士， 高级工程师。主要研究方向： 飞行器总体设计。

E-mail: jaypp123@126.com

岳珠峰男， 博士， 教授， 博士生导师。主要研究方向： 多学科优化设计理论及应用。

Email: zfyue@nwpu.edu.cn

URL： /www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20160125.1638.010.html

Numericalinvestigationintoflowcharacteristicsoftandemfan-wingconfiguration

SHIZhenhai1,*,YANGWeizhu2,LUXiuru1,YUEZhufeng2

1.BeijingInstituteofMechanicalandElectricalEngineering,Beijing100074,China2.SchoolofMechanics,CivilEngineeringandArchitecture,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

Fan-wingcanaccelerateandrectifytheairinflowthroughtherapidrotationofcrowflowfanintheleadingedge.Takingadvantageofthisdistinguishingfeature,atandemfan-wingconfigurationisputforward,whichiscomposedbydoubleormultiplerowsoffan-wingsarrangedintandemwithcertainspacingandspatialdistribution.Theflowcharacteristicsofthetandemfan-wingconfigurationaresimulatedbasedontwodimensionalmodels,andtheliftandthrustloadsarecalculatedfordifferentspacing,heightdisparitiesandrownumbers.Resultsindicatethatcomparedtosinglefan-wing,largerliftandthrustcanbeobtainedbyproperlydesignedtandemfan-wingconfiguration.Forinstance,thefour-rowfan-wingwithuniformspacingofonefandiameterpossesseslargeraverageliftandthrustbyabout10%and30%,respectively.Thereasonaccountingfortheimprovementofliftandthrustisanalyzedbasedontheflowfilednearthefan-wingsandthepressuredistributionovertheairfoils.Theseinvestigationscanprovideusefulguidanceforthedesignoffuturefan-wingaircraftwithbetterlow-speedlarge-loadcharacteristics.

fan-wing;aerodynamicconfiguration;flowcharacteristics;spacing;rownumber

2015-10-23；Revised2015-12-10；Accepted2015-12-19；Publishedonline2016-01-251638

.Tel.：010-88534283E-mailbigmar@163.com

2015-10-23；退修日期2015-12-10；录用日期2015-12-19； < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2016-01-251638

www.cnki.net/KCMS/detail/11.1929.V.20160125.1638.010.html

.Tel.：010-88534283E-mailbigmar@163.com

史振海， 杨未柱， 路秀儒， 等． 串列式扇翼布局流动特性数值研究J． 航空学报,2016,37(10):2922-2931.SHIZH,YANGWZ,LUXR,etal.Numericalinvestigationintoflowcharacteristicsoftandemfan-wingconfigurationJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(10):2922-2931.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0356

V211.4

A

1000-6893(2016)10-2922-10