扇翼无人机前缘开角非定常气动特性仿真研究

王旭 何先定 刘明鑫

扇翼无人机是一种新概念无人机，扇翼无人机横流风扇叶片的翼型、尺寸、位置、数量、安装角，以及来流速度、扇翼前缘开角等因素，都会显著影响扇翼无人机的气动特性。为了探究扇翼无人机随这些影响因素的变化规律，本文建立了7个不同前缘开角的2D扇翼模型，通过数值仿真计算的方法重点研究了扇翼前缘开角、来流速度、风扇转速对扇翼气动特性的影响。结果表明，当扇翼几何参数一定时，在一定范围内提升转速和改变来流速度均能有效提升扇翼的升、推力特性;增大前缘开角，能够增加扇翼表面气流流速、增大偏心涡强度，增加扇翼的升力和推力;在使用过程中应根据实际需要做好前缘开角、来流速度和风扇转速三者的匹配。

扇翼无人机作为一种新概念无人飞行器，因其飞行效率高、载荷大、结构简单、可短距起降的优点，在军事及民用领域获得了较大的发展优势，逐步成为了飞行器领域新的研究热点。扇翼无人机构型如图1所示。

普通机翼仅能产生升力而产生不了推力，而扇翼无人机通过在固定翼飞机机翼前缘安装横流式风扇，不仅可以为无人机提供升力还能提供推力，其工作原理如图2所示。从图中可看出，气流流过扇翼时被分为两部分，一部分气流经过旋转叶片加速，从扇翼上缘流过，沿着机翼后缘斜面流出。另一部分气流被横流风扇吸入，在叶片中心偏左下方位置形成一个显著的低压偏心涡。

扇翼的升力主要来源于两部分，一是风扇转动时，机翼后缘斜面上下表面由于空气流速不同，形成压力差，产生小部分升力;另一部分则来自于风扇内部形成的低压偏心涡，使得机翼前半部分圆弧形区域的上下表面产生较大压力差，从而产生升力。扇翼的推力也来自于两部分。一部分推力是叶片转动时，叶片推动气流向后排出，气流为叶片提供的向前的反推力;另一部分推力来自于偏心涡，由于低压偏心涡大多形成于风扇内部偏右下方的位置，这就影响了扇翼水平方向的压强分布。进而产生一个向前的推力。

扇翼无人机横流风扇叶片的翼型、尺寸、位置、数量、安装角，以及来流速度、扇翼前缘开角等因素都会显著影响扇翼无人机的气动特性，本文通过数值计算的方法重点研究扇翼前缘开角、来流速度、风扇转速对扇翼气动特性的影响，以期为扇翼无人机设计提供有益的参考。

数值计算方法

控制方程

控制方程包含質量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，各方程定义如下：

边界条件和初始条件

本文的数值计算中，设置的边界条件为速度入口、压力出口和无滑移壁面边界。在本文中，设定的扇翼横流风扇的最大转速为2000rpm。风扇叶片的最大叶尖速度小于Ma 0.3，因此在数值计算中，将气流作为不可压缩气体。

计算模型

为了方便研究，本文将扇翼的三维模型简化为二维模型。参照文献，建立如图3所示的扇翼机机翼模型，横流叶片构型如图4所示。机翼、横流叶片尺寸参数见表1。

网格生成

本文采用非结构网格对计算域进行网格剖分，同时采用滑移网格处理叶片的旋转问题。处于风扇叶片附近的网格随叶片一起转动，而其它部分的网格则静止不动。为了更好地反应叶片及机翼周围的流动情况，对叶片与机翼周围的网格进行了网格加密。计算域及整体网格如图5所示，扇翼附近网格加密区如图6所示，叶片及机翼附面层网格如图7所示。

扇翼气动特性仿真结果及分析

升力特性分析

（1）不同前缘开角下转速对升力的影响

取来流速度为5m/s，迎角为0°，横流风扇转速为750rpm、1000rpm、1250rpm、1500rpm、2000rpm，前缘开角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的数值计算结果进行分析。图8为迎角a=0°、速度v=5m/s时不同前缘开角下扇翼升力随横流风扇转速的变化曲线图。从图中可以看出，当前缘开角不变时，随着风扇转速的增大，升力也不断增大;升力随着前缘开角的增大而增大。

（2）不同前缘开角下来流速度对升力的影响

取来流速度为5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s，迎角为0°，横流风扇转速为1000rpm，前缘开角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的数值计算结果进行分析。从图9中可以看出，在大多数情况下，当前缘开角一定时，升力随来流速度的增大先增大后减小，在v=20m/s时达到最大值;而当来流速度较小（例如v=5m/s）时，增大前缘开角对提升扇翼升力有正面影响。

由此可以得出，当扇翼几何参数一定的情况下，在一定范围内提升转速和改变来流速度均能有效提升扇翼的升力特性;在小来流速度（v<5m/s）下增加前缘开角角度也能显著提升其升力。

推力特性分析

（1）不同前缘开角下转速对推力的影响

取来流速度为5m/s、10m/s，迎角为0°，横流风扇转速为750rpm、1000rpm、1250rpm、1500rpm、2000rpm，前缘开角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的数值计算结果进行分析。图10所示为迎角a=0°、速度v=5m/s时不同前缘开角下扇翼推力随横流风扇转速的变化曲线图。从图中可以看出，在前缘开角不变的情况下，扇翼推力随着横流风扇转速的增大而增大;扇翼推力也随着前缘开角的的增大而增大，且前缘开角越大，横流风扇转速对推力的影响越明显（曲线越陡）。

（2）不同前缘开角下来流速度对推力的影响

取来流速度为5m/s、lOm/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s，迎角为0。，横流风扇转速为1000rpm，前缘开角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的数值计算结果进行分析。从图11中可以看出，随着来流速度的增加，推力值逐渐减小，由正值变为负值，当推力变为负值时，此时扇翼不仅不能产生推力，反而还会产生阻力，阻碍扇翼向前运动;而后，随着来流速度的进一步增大，扇翼产生的阻力也逐渐增大，且阻力增大的速度也越来越快，即图中曲线的斜率越来越大;另外，随着前缘开角的增大，扇翼推力也逐渐增大。

由此可以得出，当扇翼几何参数一定时，在一定范围内提升转速、减小来流速度均能有效提升扇翼的推力特性;增加扇翼前缘开角能显著其推力。

流场分析

图12、13所示为来流速度5m/s，迎角0°，前缘开角30°时，不同横流风扇转速下的扇翼速度云图和压力云图。从速度云图可以看出，随着风扇转速的增加，风扇叶片、风扇内部中心、机翼后缘气流流速明显增加。而从压力云图看出，随着风扇转速的增加，风扇中心的压力逐渐降低，即偏心涡的强度逐渐增强，扇翼上下翼面压力差逐渐加大，升力逐渐增加。

图14、15所示为前缘开角30°、迎角0°、风扇转速1000rpm时，不同来流速度下的扇翼速度云图和压力云图。图中可知，随着来流速度的增加，风扇内部和扇翼后缘的流速增大;随着来流速度的增加，风扇内部的偏心涡强度逐渐增强，扇翼前下弧形段压力逐渐增加，扇翼上下表面压差逐渐增大，升力逐渐增大，并且前后压差逐渐增大，扇翼推力逐渐减小，甚至变为阻碍扇翼流动的阻力;当来流达到v=40m/s时，来流剧烈流过风扇内部，破坏了内部偏心涡，使得扇翼升力开始极具下降。

图16、17为来流速度5m/s、迎角0°、风扇转速1000rpm时，不同前缘开角下的扇翼速度云图和压力云图。从图中可以看出，随着前缘开角的增大，扇翼叶片周围气流流速，扇翼后缘的流速均显著增大，风扇内部偏心涡的强度逐渐加大，扇翼升力增加，推力增加。因此，合理增大扇翼前缘开角对提升扇翼升推力特性大有裨益。

综上所述，可得出：

（1）当扇翼几何参数一定时，在一定范围内提升转速和改变来流速度均能有效提升扇翼的升力特性;

（2）当扇翼几何参数一定时，在一定范围内提升转速、改变来流速度均能有效提升扇翼的推力特性;

（3）增大前缘开角，能够增加扇翼表面气流流速、增大偏心涡强度，增加扇翼的升力和推力。

（4）前缘开角、来流速度、转速均能显著影响扇翼的气动特性，在使用过程中应根据实际需要做好三者的匹配。