侧风干扰对涵道本体的气动特性研究

崔剑飞 巩伟杰

摘 要：针对侧风干扰对涵道风扇稳定性影响，基于Fluent软件对涵道风扇飞行器在前飞状态下受侧风干扰的数值模拟。不仅对涵道飞行器本体在有干扰状态下的气动分析，还分析了不同结构布局的抗侧风能力，并选取了涵道长径比h/d、涵道锥角b、桨盘位置j及桨间间隙四个主要结构布局参数进行了数值计算与分析。结果表明：受到侧风干扰时，涵道飞行器的稳定性和机动性下降，可以通过改变涵道的布局结构来提高涵道飞行器的抗干扰能力，提高涵道风扇飞行器的稳定性。

关键词：侧风；干扰；稳定性；涵道风扇；气动特性

中图分类号：V211 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0042-04

Abstract： In view of the influence of crosswind disturbance on the stability of culvert fan， the numerical simulation of crosswind disturbance on ducted fan aircraft in forward flight state is carried out based on fluent software. Not only the aerodynamic analysis of the culvert vehicle body in the presence of interference， but also the cross-wind resistance of different configurations is analyzed. Four main structural layout parameters， i.e.， culvert aspect ratio h/d， culvert cone angle b， paddle position j and inter-propeller gap， are calculated and analyzed numerically. The results show that the stability and maneuverability of the culvert vehicle decrease when it is disturbed by crosswind. The anti-jamming ability and the stability of the culvert fan vehicle can be improved by changing the layout and structure of the culvert.

Keywords： cross wind； interference； stability； ducted fan； aerodynamic characteristics

引言

涵道風扇飞行器结构紧凑，噪声小等优点，并且使用范围已拓展至军事、民用和科研三大领域，其迅速发展和应用，已逐渐成为当今无人机领域的研发热点。目前，随着国内外对于涵道风扇无人机的研究不断深入，对涵道风扇系统的气动特性和稳定性控制问题的研究也逐步展开，文献[1]对涵道飞行器的稳定性进行了深入研究，并且涵道飞行器的气动分析也比较成熟[2]。现阶段对涵道飞行器的气动分析研究，处于涵道飞行器悬停状态或者前飞的状态[3， 4]，并对倾转涵道飞行器倾转过程中的复杂流场分析[5， 6]。

考虑到涵道风扇飞行器处于干扰的环境，比如有侧风/阵风存在的时候，对涵道飞行器的稳定性和机动性有较大的影响。基于CFD数值模拟涵道风扇飞行器在前飞过程中受侧风的影响，涵道的气动布局对涵道飞行器稳定性的影响，为涵道风扇飞行器在不同环境下抗干扰能力和快响应奠定了研究基础。

1 涵道气动布局

本文网格采用结构网格和非结构网格的网格组装形式，翼型采用升阻比较大的平凸翼CLARK-Y，基于fluent的非定常数值计算，湍流模型采用k-epsilon RNG模式，并且考虑涡流（Swirl Dominated Flow）的影响，采用滑移网格的模式进行数值分析。基准模型中定义的 流速度10m/s，侧风干扰速度为5m/s，压力出口。涵道风扇的侧风影响及攻角的定义如图1所示。

2 侧风对涵道本体的气动影响

小型涵道飞行器处于侧风的干扰环境中时，涵道风扇飞行器处于螺旋桨的吸流、前方 流和侧风干扰的复杂流场中，这将会影响涵道飞行器的稳定性和机动性。

图2，3所示为涵道飞行器在 流不变的情况下，无侧风干扰和有5m/s的侧风干扰状态下升阻力随着攻角的变化曲线。通过对计算结果的分析可知，随着攻角的增大，涵道在无干扰和有干扰状态下，升力都增大，这是由随着攻角增大，涵道的附加升力增大。比较有干扰和无干扰的气动特性，有干扰状态下涵道的升力大幅度降低，这很大程度上影响了涵道的稳定性和机动性。这是因为无干扰状态下涵道处于前方來流和风扇吸流的流场下，而有侧风干扰涵道处于前方 流、风扇吸流和侧风干扰的复杂流场下，改变了涵道唇口的静压分布，对风扇的拉力和涵道的增升产生了影响。无侧风状态下，涵道的阻力随着攻角的增大而增大，这是因为涵道攻角在30°之前，涵道主要提供的是前飞的拉力，而在攻角30°之后，随着相对于 流的正投影面积的增大，涵道主要提供的是阻力。而在有干扰状态下，随着 流攻角增大，阻力在减小，因为受到侧风的影响，涵道主要是提供的侧向力和前飞的拉力。

图4为无侧风和侧风状态下的力矩图，该力矩分为xy平面和xz平面的力矩。无侧风状态下在飞行器前进方向（xy平面）的力矩随着攻角的增大而增大，而侧风方向上（xz平面）的力矩基本保持稳定。在有侧风干扰的情况下，减小了xy平面下的俯仰力矩，增大了xy平面的抗侧风能力，从而提高了xy平面的稳定性，但是增大了xz平面的侧翻力矩，降低了xz平面涵道风扇飞行器的稳定性。图5是受到干扰时，涵道受到干扰方向的力，侧向力主要来自侧风矢量方向上涵道内外壁压差，从图中可以看出，随着 流攻角的增大，侧向力越小，说明大攻角状态下受到干扰的影响较小，抗侧风能力强。

3 侧风状态下涵道长径比对飞行器稳定性的影响

在不更改基准模型其他结构、 流速度以及干扰速度，选定涵道攻角在10°，30°，50°状态下改变涵道长径比h/d，以此来分析在5m/s侧风下对飞行器前飞时稳定性能的影响。

由于侧风干扰的影响，会改变涵道风扇飞行器的力矩大小，从而会使得飞行器飞行过程中的稳定性和机动性下降。如图6，7，8所示，随着攻角的增大，升力增大，力矩减小；随着涵道长径比的增加，涵道的整体升力呈现下降趋势，并且xz平面的力矩先增后减，涵道长径比在0.47时，力矩达到最大，其抗侧风能力最差，涵道飞行器的稳定性和机动性最差。即在有侧风干扰时，随着涵道长径比增大，侧向力影响越严重，抗侧风能力越差，稳定性越差。并且随着攻角的增大，受到侧向力影响越小，那是因为涵道长径比越大，侧向力方向上的压差越大。因为增大了长径比，升力减小，侧向力增大，力矩先增后减，所以考虑到飞行器有良好的机动性和抗侧风的能力，应该选择较小的长径比涵道本体布局结构。

4 侧风状态下涵道锥角对飞行器稳定性的影响

涵道锥角的改变会影响涵道的出入口直径，从而影响涵道的出入口气流的流动状态，涵道的增升主要是涵道出口外壁与涵道入口压差产生，而当有干扰存在会改变涵道出口外壁与涵道入口的压力分布。通过数值计算分别对涵道锥角为-6°～9°的模型进行计算，其他的条件均不变，计算结果如图9，图10和图11。

从图中可以看出，随着锥角的增大，涵道的整体升力越大，这是由于随着锥角的增大，涵道出口流场受到的限制增加，增加了相对的静压，提高了涵道整体升力，但锥角的持续增大会增加涵道对桨盘尾流的阻塞作用。并且在有侧风干扰、小攻角状态下，涵道锥角在6°左右时涵道的升力最大，而在大攻角状态下，涵道锥角在9°左右时涵道的升力最大。从xz平面力矩图中可以看出，随着锥角的增大，小攻角状态下的力矩先增后减，在锥角为0°时达到最大，xz平面抗侧风能力最差；大攻角状态下力矩逐渐增大，其xz平面的稳定性和机动性逐渐变差。图11中，随着攻角的增大，侧向力越小，受到侧风的影响越小；随着锥角的增大，侧向力逐渐增大，抗侧风能力也越差。

5 侧风状态下桨盘位置对飞行器稳定性的影响

涵道对桨盘的环括作用使得涵道有附加的升力产生，并且是由于涵道入口和出口产生压差而增升，桨盘的位置对中轴线上涵道内部的压力分布有较大影响，当有侧风干扰时，桨盘的位置就更加重要，这使得涵道处于 流，风扇吸流和干扰的复杂流场中。在不改变涵道基准模型的其他结构，其他的条件都一样的情况下，分别对桨盘位置j为10mm～70mm的数值计算，分析不同布局下涵道的气动特性对飞行器的稳定性和机动性的影响。

如图12，13和14所示，当涵道攻角小于50°状态飞行时，且在有干扰的情况下，桨盘位置越靠近唇口，涵道的整体的升力越大；当涵道攻角大于50°状态飞行时，桨盘位置处于离涵道唇口1/3处，涵道的升力最大，抗侧风能力越大。随着桨盘离唇口位置越远，xz平面涵道风扇飞行器的力矩越大，并且受到干扰的侧向力越大，涵道飞行器的抗侧风能力越差。

6 侧风下桨间间隙对飞行器穩定性的影响

有研究表明，增大桨尖间隙会降低涵道的增升效果[7]。为了保证涵道有良好的增升效果，数值模拟侧风干扰对涵道桨间间隙的影响。从计算结果图15，16，17可以看出，随着涵道桨间间隙的增加，涵道的整体升力先增后减，并且在桨间间隙2mm处时，涵道的升力最大，这是因为在侧风的影响下，随着桨间间隙的增大，桨盘上方的低压区由小到大再到小的过程，所以随着桨盘前后的压力差的变化，涵道的升力也就先增后减。随着桨间间隙的增大，涵道飞行器的力矩先增后减，并且桨间间隙为1.5mm时力矩达到最大，涵道抗侧风能力最差。并且在桨间间隙小于1.5mm时，涵道受侧风影响的迎风区出现大范围高压，由于压力差的作用，以至于侧向力达到最大，但是抗侧风能力较强。

7 总结

本文采用数值仿真的方法对涵道飞行器前飞时受到侧风干扰的升力特性进行分析。在有干扰情况下，涵道的整体布局对飞行器稳定性和机动性有很大的影响，涵道结构布局的优化可以有效提高涵道飞行器在前飞时抗干扰能力具有重要意义。通过分析得出以下结论：（1）涵道飞行器在前飞时受到侧风影响，涵道的升力性能降低，涵道的稳定性和机动性降低，并且涵道在大攻角状态下受到侧风的影响较小。（2）涵道长径比的增大，涵道的升力下降，受到的侧向力越大，受侧风的影响越严重，抗干扰能力越差，致使涵道的稳定性和机动性能均下降。（3）随着涵道锥角的增大，涵道的升力增加，但涵道的侧向力越大，抗干扰能力也越差，涵道锥角在-3°时，受侧风影响较小，涵道抗干扰能力较强。（4）桨盘位置越靠近唇口位置，涵道受到侧风影响越小，抗干扰能力越强。（5）随着涵道桨间间隙的增加，涵道的整体升力先增后减，并且在桨间间隙2mm处时，涵道的升力最大，此时受到的侧向力最小，当桨间间隙小于1.5mm时，xz平面力矩最小，涵道抗侧风能力最大。

参考文献：

[1]刘云平，等，涵道式无人飞行器的动力学建模与运动稳定性分析[M].中国机械工程，2016（14）：1852-1856.

[2]李建波，高正.涵道风扇空气动力学特性分析[M].南京航空航天大学学报，2005（06）：680-684.

[3]张威，范宁军.涵道式飞行器前飞气动特性分析与仿真[M].弹箭与制导学报，2013，33（2）：95-97.

[4]AIAA， Improving Ducted Fan UAV Aerodynamics in Forward Flight.

[5]蔡红明，昂海松，段文博.一种新型涵道飞行器的设计与气动特性研究[J].兵工学报，2012（07）：857-863.

[6]杨磊，叶正寅.倾转涵道倾转过渡阶段的非定常气动力[J].航空动力学报，2015（01）：155-163.

[7]徐嘉，范宁军，赵澍.涵道飞行器涵道本体气动特性研究[J].弹箭与制导学报，2009（04）：174-178.