飛行汽車概念設(shè)計(jì)與氣動(dòng)特性分析

朱保利， 程磊， 吳恢鵬

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌330063）

飛行汽車概念設(shè)計(jì)與氣動(dòng)特性分析

朱保利， 程磊， 吳恢鵬

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌330063）

利用CFD軟件Fluent，根據(jù)Spalart-Allmaras模型建立了飛行汽車外流場(chǎng)的三維湍流流動(dòng)模型。通過(guò)數(shù)值模擬，得到飛行汽車在不同攻角下的升阻力系數(shù)變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，在所選攻角范圍內(nèi)，隨著攻角的增大，飛行汽車的升阻力系數(shù)不斷增大，當(dāng)攻角達(dá)到14°左右時(shí)，飛行汽車由于氣流分離而發(fā)生失速。Fluent為飛行汽車的氣動(dòng)特性分析提供了重要依據(jù)。

Fluent；飛行汽車；數(shù)值模擬；氣動(dòng)特性

0 引言

1917年，美國(guó)飛行汽車之父格·寇蒂斯研制了第一輛飛行汽車，雖然該飛行汽車從未真正飛上天空，但是為人類探索新型的飛行汽車邁出了重要的一步。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車已走入千家萬(wàn)戶，交通擁堵成為一個(gè)世界性的難題，飛行汽車為解決這一世界性的難題提供了有效的方法。飛行汽車除了能夠解決城市交通擁堵的問(wèn)題之外，在很多其他的方面也有廣泛的用途，如火災(zāi)救援、地震救災(zāi)、農(nóng)藥噴灑以及近距離交戰(zhàn)等方面。在隨后的一段時(shí)間里，各國(guó)出現(xiàn)了許多具有代表性的飛行汽車結(jié)構(gòu)：一是固定翼飛機(jī)與汽車的結(jié)合體，如美國(guó)馬薩諸塞州特拉福嘉公司推出的飛行汽車——“Transition”；二是直升機(jī)與汽車的結(jié)合體，如美軍的“飛行悍馬”；三是旋翼機(jī)與汽車的結(jié)合體，如荷蘭推出的旋翼式三輪飛行汽車的概念模型車——“PAL-V”和由西安美聯(lián)航空技術(shù)有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)研發(fā)生產(chǎn)的首輛中國(guó)飛行汽車；四是動(dòng)力傘與汽車的結(jié)合體，如英國(guó)的傘翼車“Sky Car”；五是涵道式可垂直起降的飛行汽車，如以色列飛行汽車“X-Hawk”。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著研究的不斷深入，技術(shù)的不斷發(fā)展，相繼有飛行汽車試飛成功并且已投入量產(chǎn)，如美國(guó)馬薩諸塞州沃伯恩 Terrafugia公司開(kāi)發(fā)的可折疊翼飛行汽車——Transition；荷蘭PAL-V Europe公司研發(fā)的旋翼飛行汽車——PAL-V One等。

飛行汽車氣動(dòng)特性的研究屬于空氣動(dòng)力學(xué)與流體力學(xué)的范疇，常用的研究方法包括理論分析、實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬等［1］。理論分析方法能夠得出該模型較全面的信息，但是對(duì)于研究復(fù)雜的、非線性的流動(dòng)，存在難于求解方程組的問(wèn)題；實(shí)驗(yàn)研究方法的結(jié)果比較真實(shí)可信，常用于最后的設(shè)計(jì)階段，但是由于測(cè)量方法的限制，存在難以提取某些局部數(shù)據(jù)的難題，并且具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)；數(shù)值模擬方法是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而逐漸形成的一種方法，它可以大幅度地降低成本，能研究難以進(jìn)行或不可能進(jìn)行受控實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)，能研究危險(xiǎn)條件下的系統(tǒng)，比實(shí)驗(yàn)研究更自由靈活。因此數(shù)值模擬方法廣泛應(yīng)用于分析流體流動(dòng)和傳熱等物理現(xiàn)象中，成為一種重要的計(jì)算和分析方法。

本文研究的主要內(nèi)容就是利用數(shù)值模擬的方法對(duì)新概念飛行汽車的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析，觀察飛行汽車在不同攻角下升阻力系數(shù)的變化規(guī)律以及飛行汽車的外圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，為飛行汽車的氣動(dòng)特性研究提供一定的理論依據(jù)。

1 流體計(jì)算模型

1.1 基本理論方程

任何流體計(jì)算的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律都是由質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律以及能量守恒定律來(lái)確定的。飛行汽車是低音速飛行，利用CFD方法對(duì)飛行汽車進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)要考慮到流體的黏性和不可壓縮性，此時(shí)的熱交換量很小以至可以忽略，可不考慮能量守恒方程，密度ρ為常數(shù)。三維流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程分別為：

式（1）、（2）中，ui為i方向的速度，p為壓強(qiáng)，v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

1.2 湍流模型

本數(shù)值模擬采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，壓力基耦合求解器；入口條件為速度，出口條件設(shè)置為壓力，湍流模型為Spalart-Allmaras模型［2］，該模型對(duì)壁面邊界具有良好的模擬效果。

2 幾何模型建立

2.1 新概念飛行汽車建模

飛行汽車的車身建模采用現(xiàn)有的某典型汽車模型［3］，在建模的過(guò)程中，對(duì)車身的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如車身兩側(cè)的設(shè)計(jì)，車身、后視鏡、輪胎及門把手等零部件等，并以平底面代替飛行汽車車底的真實(shí)凹凸形狀。因此，提取出該車身模型的輪廓形狀，經(jīng)過(guò)拉伸生成車身模型。本文選擇相對(duì)彎度為4%，相對(duì)厚度為12%，最大彎度位置在機(jī)翼弦長(zhǎng)40%處的高升力翼型NACA4412，確定機(jī)翼平面參數(shù)，利用三維軟件SolidWorks完成飛行汽車機(jī)翼和車身的三維建模，如圖1所示。

圖1 飛行汽車模型

2.2 飛行汽車特點(diǎn)

該飛行汽車最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了垂直起降和固定翼飛行于一體。飛行汽車主要由雙車身、涵道機(jī)身、涵道螺旋槳、機(jī)翼以及尾翼等部件構(gòu)成。涵道機(jī)身由兩根可旋轉(zhuǎn)的軸連接在兩車身之間，通過(guò)涵道螺旋槳的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生豎直方向的升力實(shí)現(xiàn)飛行汽車的垂直升降，在起飛的過(guò)程中，涵道機(jī)身緩慢旋轉(zhuǎn)，螺旋槳產(chǎn)生的推力驅(qū)動(dòng)飛行汽車前進(jìn)，此時(shí)，將左右兩側(cè)的機(jī)翼以及車后的尾翼逐漸展開(kāi)，當(dāng)飛行汽車機(jī)翼及其尾翼完全舒展開(kāi)時(shí)，涵道機(jī)身的旋轉(zhuǎn)正好達(dá)到90°，得到飛行汽車整體巡航飛行時(shí)的狀態(tài)，涵道螺旋槳產(chǎn)生水平方向的推力使飛行汽車前進(jìn)，由兩側(cè)的機(jī)翼在飛行速度下提供足夠的升力，這樣該飛行汽車就能獲得較好的遠(yuǎn)航性能。缺點(diǎn)是在起飛的過(guò)程中需要依靠?jī)绍嚿碇g的涵道螺旋槳提供升力和推動(dòng)力，給飛行汽車的穩(wěn)定性及操控性帶來(lái)一定的難度。

3 網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)計(jì)算

在對(duì)飛行汽車進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí)，對(duì)飛行汽車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，暫不考慮尾翼和涵道螺旋槳的影響。為了減少網(wǎng)格質(zhì)量，在保證收斂性和穩(wěn)定性的前提下提高計(jì)算速度和計(jì)算的工作效率，對(duì)飛行汽車進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選擇車身機(jī)翼半模進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算。本文以Workbench為平臺(tái)，將飛行汽車模型導(dǎo)入，程序基于幾何體的復(fù)雜性，自動(dòng)檢測(cè)實(shí)體，對(duì)可以掃掠的實(shí)體采用掃掠方法劃分生成六面體網(wǎng)格，對(duì)不能掃掠的實(shí)體采用協(xié)調(diào)分片算法生成四面體網(wǎng)格，最后劃分的飛行汽車外圍網(wǎng)格結(jié)果如圖2所示。

圖2 飛行汽車外圍網(wǎng)格

網(wǎng)格文件將會(huì)自動(dòng)導(dǎo)入Fluent中。選擇湍流流動(dòng)模型Spalart-Allmaras，在Fluent中完成相關(guān)求解器和邊界條件的設(shè)置，設(shè)定進(jìn)口處的邊界條件為V=50m/s，出口處的邊界條件為壓力邊界條件，即出口處的壓力為零，飛行汽車表面為墻面邊界條件Wall，對(duì)稱面為sym。然后設(shè)置升阻力系數(shù)和殘差監(jiān)測(cè)，初始化之后，即可進(jìn)行該流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

圖3 飛行汽車對(duì)稱面壓力云圖（α=10°）

圖4 飛行汽車機(jī)翼截面壓力云圖（α=10°）

圖5 飛行汽車表面壓力云圖（α=10°）

圖3為飛行汽車對(duì)稱面壓力云圖，可以看出車身頭部的壓力較大，尾部的壓力較小，形成較大的壓力差，這是飛行汽車主要的阻力來(lái)源——壓差阻力，車身上下表面存在一定的壓力差，即車身能夠提供部分升力。圖4為飛行汽車機(jī)翼截面處的壓力云圖，可以看出飛行汽車機(jī)翼的流場(chǎng)分布受到了車身的干擾，但上下表面存在較大的壓力差，因此機(jī)翼能夠提供升力，且是飛行汽車升力的主要來(lái)源。圖5為飛行汽車表面壓力云圖，隨著氣流的流過(guò)，飛行汽車表面的壓力逐漸增大，根據(jù)伯努利定理，可知飛行汽車表面的速度逐漸減小，且在飛行汽車的后面出現(xiàn)了速度分離。

圖6、圖7分別為飛行汽車模型對(duì)稱面頭部和尾部的氣流速度矢量圖，從圖中可以看出氣流在汽車頭部由于受到汽車的阻擋而出現(xiàn)了氣流的分離，一部分氣流流向飛行汽車的上表面，另一部分氣流流向底盤部分，且在汽車的頭部出現(xiàn)了局部的低速區(qū)，速度幾乎接近為零。氣流流過(guò)車身后，上表面的氣流會(huì)在汽車后備箱上方出現(xiàn)漩渦，并出現(xiàn)氣流分離，最后上下兩股氣流在汽車的尾部匯合，在汽車尾部產(chǎn)生了兩個(gè)局部的尾渦。

圖6 頭部氣流速度矢量云圖（α=10°）

圖7 尾部氣流速度矢量圖（α=10°）

圖8 升阻力系數(shù)隨攻角變化曲線

圖8為升阻力系數(shù)隨攻角α的變化曲線，在一定的攻角范圍之內(nèi)，升阻力系數(shù)隨著攻角的增大而不斷增大，當(dāng)攻角達(dá)到14°左右時(shí)，飛行汽車由于氣流分離而出現(xiàn)失速，導(dǎo)致升力系數(shù)下降，而阻力系數(shù)繼續(xù)增大。飛行汽車的飛行速度較低，阻力的主要來(lái)源是壓差阻力和摩擦阻力，因此，阻力系數(shù)沒(méi)有發(fā)生急劇變化，其增大幅度較為緩慢。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）飛行汽車的升力主要來(lái)源于機(jī)翼，在飛行過(guò)程中，車身也能提供一定的升力，但是該升力較小。

（2）飛行汽車在飛行過(guò)程中的阻力主要來(lái)源于車身的前后壓力差，機(jī)翼也存在一定的阻力，如誘導(dǎo)阻力、壓差阻力等，由于飛行汽車的飛行速度較低，因此還存在著較大的摩擦阻力。

（3）當(dāng)氣流流過(guò)飛行汽車時(shí)，會(huì)在車身前部出現(xiàn)氣流分離，流經(jīng)車身后會(huì)在尾部匯合，在尾部形成局部的漩渦，出現(xiàn)速度低壓區(qū)，其速度大小幾乎為零。

（4）利用CFD方法對(duì)飛行汽車進(jìn)行數(shù)值模擬，為研究其空氣動(dòng)力學(xué)特性提供了很好的理論依據(jù)。

［1］ 郭江濤，邢存震，譚獻(xiàn)忠.基于Fluent的亞音速翼型氣動(dòng)特性數(shù)值研究［J］.中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，23（1）：36-40.

［2］ 許建明，戴騰清，劉金武.基于CFD的轎車外流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（6）：46-48.

［3］ 吳軍，鐘志華，谷正氣.汽車外流場(chǎng)湍流模型與菱形新概念車氣動(dòng)特性研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2005.

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（編輯畢 勝）

Conceptual Design and Aerodynamic Characteristics Analysis of Flying Car Based on CFD

ZHU Baoli，CHENG Lei，WU Huipeng
（School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

The modeling three dimensionalturbulence model of flying car according to Spalart Allmaras is established by using the CFD software Fluent.The lift and drag coefficient variation characteristics in the different angle of attack will be obtained by numerical simulation.The results show that within the selected scope of attack angle,the lift and drag coefficient of flying car are increased gradually with the increasing of angle of attack,the flying car will be stalled due to flow separation when the angle of attack is at about 14 degree.The CFD software Fluent provides the important basis for the aerodynamic characteristics analysis of flying car.

Fluent；flying car；numerical simulation；aerodynamic characteristics

V 211.41

A

1002－2333（2014）05－0087－03

朱保利（1964—），男，副教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究。

2014-01-13

航空科學(xué)基金（HF201003088）