扇翼無人機(jī)前緣開角非定常氣動特性仿真研究

王旭 何先定 劉明鑫

扇翼無人機(jī)是一種新概念無人機(jī)，扇翼無人機(jī)橫流風(fēng)扇葉片的翼型、尺寸、位置、數(shù)量、安裝角，以及來流速度、扇翼前緣開角等因素，都會顯著影響扇翼無人機(jī)的氣動特性。為了探究扇翼無人機(jī)隨這些影響因素的變化規(guī)律，本文建立了7個不同前緣開角的2D扇翼模型，通過數(shù)值仿真計算的方法重點研究了扇翼前緣開角、來流速度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對扇翼氣動特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)扇翼幾何參數(shù)一定時，在一定范圍內(nèi)提升轉(zhuǎn)速和改變來流速度均能有效提升扇翼的升、推力特性;增大前緣開角，能夠增加扇翼表面氣流流速、增大偏心渦強(qiáng)度，增加扇翼的升力和推力;在使用過程中應(yīng)根據(jù)實際需要做好前緣開角、來流速度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速三者的匹配。

扇翼無人機(jī)作為一種新概念無人飛行器，因其飛行效率高、載荷大、結(jié)構(gòu)簡單、可短距起降的優(yōu)點，在軍事及民用領(lǐng)域獲得了較大的發(fā)展優(yōu)勢，逐步成為了飛行器領(lǐng)域新的研究熱點。扇翼無人機(jī)構(gòu)型如圖1所示。

普通機(jī)翼僅能產(chǎn)生升力而產(chǎn)生不了推力，而扇翼無人機(jī)通過在固定翼飛機(jī)機(jī)翼前緣安裝橫流式風(fēng)扇，不僅可以為無人機(jī)提供升力還能提供推力，其工作原理如圖2所示。從圖中可看出，氣流流過扇翼時被分為兩部分，一部分氣流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)葉片加速，從扇翼上緣流過，沿著機(jī)翼后緣斜面流出。另一部分氣流被橫流風(fēng)扇吸入，在葉片中心偏左下方位置形成一個顯著的低壓偏心渦。

扇翼的升力主要來源于兩部分，一是風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時，機(jī)翼后緣斜面上下表面由于空氣流速不同，形成壓力差，產(chǎn)生小部分升力;另一部分則來自于風(fēng)扇內(nèi)部形成的低壓偏心渦，使得機(jī)翼前半部分圓弧形區(qū)域的上下表面產(chǎn)生較大壓力差，從而產(chǎn)生升力。扇翼的推力也來自于兩部分。一部分推力是葉片轉(zhuǎn)動時，葉片推動氣流向后排出，氣流為葉片提供的向前的反推力;另一部分推力來自于偏心渦，由于低壓偏心渦大多形成于風(fēng)扇內(nèi)部偏右下方的位置，這就影響了扇翼水平方向的壓強(qiáng)分布。進(jìn)而產(chǎn)生一個向前的推力。

扇翼無人機(jī)橫流風(fēng)扇葉片的翼型、尺寸、位置、數(shù)量、安裝角，以及來流速度、扇翼前緣開角等因素都會顯著影響扇翼無人機(jī)的氣動特性，本文通過數(shù)值計算的方法重點研究扇翼前緣開角、來流速度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對扇翼氣動特性的影響，以期為扇翼無人機(jī)設(shè)計提供有益的參考。

數(shù)值計算方法

控制方程

控制方程包含質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，各方程定義如下：

邊界條件和初始條件

本文的數(shù)值計算中，設(shè)置的邊界條件為速度入口、壓力出口和無滑移壁面邊界。在本文中，設(shè)定的扇翼橫流風(fēng)扇的最大轉(zhuǎn)速為2000rpm。風(fēng)扇葉片的最大葉尖速度小于Ma 0.3，因此在數(shù)值計算中，將氣流作為不可壓縮氣體。

計算模型

為了方便研究，本文將扇翼的三維模型簡化為二維模型。參照文獻(xiàn)，建立如圖3所示的扇翼機(jī)機(jī)翼模型，橫流葉片構(gòu)型如圖4所示。機(jī)翼、橫流葉片尺寸參數(shù)見表1。

網(wǎng)格生成

本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對計算域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，同時采用滑移網(wǎng)格處理葉片的旋轉(zhuǎn)問題。處于風(fēng)扇葉片附近的網(wǎng)格隨葉片一起轉(zhuǎn)動，而其它部分的網(wǎng)格則靜止不動。為了更好地反應(yīng)葉片及機(jī)翼周圍的流動情況，對葉片與機(jī)翼周圍的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格加密。計算域及整體網(wǎng)格如圖5所示，扇翼附近網(wǎng)格加密區(qū)如圖6所示，葉片及機(jī)翼附面層網(wǎng)格如圖7所示。

扇翼氣動特性仿真結(jié)果及分析

升力特性分析

（1）不同前緣開角下轉(zhuǎn)速對升力的影響

取來流速度為5m/s，迎角為0°，橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為750rpm、1000rpm、1250rpm、1500rpm、2000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行分析。圖8為迎角a=0°、速度v=5m/s時不同前緣開角下扇翼升力隨橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)前緣開角不變時，隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增大，升力也不斷增大;升力隨著前緣開角的增大而增大。

（2）不同前緣開角下來流速度對升力的影響

取來流速度為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s，迎角為0°，橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行分析。從圖9中可以看出，在大多數(shù)情況下，當(dāng)前緣開角一定時，升力隨來流速度的增大先增大后減小，在v=20m/s時達(dá)到最大值;而當(dāng)來流速度較?。ɡ鐅=5m/s）時，增大前緣開角對提升扇翼升力有正面影響。

由此可以得出，當(dāng)扇翼幾何參數(shù)一定的情況下，在一定范圍內(nèi)提升轉(zhuǎn)速和改變來流速度均能有效提升扇翼的升力特性;在小來流速度（v<5m/s）下增加前緣開角角度也能顯著提升其升力。

推力特性分析

（1）不同前緣開角下轉(zhuǎn)速對推力的影響

取來流速度為5m/s、10m/s，迎角為0°，橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為750rpm、1000rpm、1250rpm、1500rpm、2000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行分析。圖10所示為迎角a=0°、速度v=5m/s時不同前緣開角下扇翼推力隨橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化曲線圖。從圖中可以看出，在前緣開角不變的情況下，扇翼推力隨著橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增大而增大;扇翼推力也隨著前緣開角的的增大而增大，且前緣開角越大，橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對推力的影響越明顯（曲線越陡）。

（2）不同前緣開角下來流速度對推力的影響

取來流速度為5m/s、lOm/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s，迎角為0。，橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1000rpm，前緣開角0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行分析。從圖11中可以看出，隨著來流速度的增加，推力值逐漸減小，由正值變?yōu)樨?fù)值，當(dāng)推力變?yōu)樨?fù)值時，此時扇翼不僅不能產(chǎn)生推力，反而還會產(chǎn)生阻力，阻礙扇翼向前運(yùn)動;而后，隨著來流速度的進(jìn)一步增大，扇翼產(chǎn)生的阻力也逐漸增大，且阻力增大的速度也越來越快，即圖中曲線的斜率越來越大;另外，隨著前緣開角的增大，扇翼推力也逐漸增大。

由此可以得出，當(dāng)扇翼幾何參數(shù)一定時，在一定范圍內(nèi)提升轉(zhuǎn)速、減小來流速度均能有效提升扇翼的推力特性;增加扇翼前緣開角能顯著其推力。

流場分析

圖12、13所示為來流速度5m/s，迎角0°，前緣開角30°時，不同橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的扇翼速度云圖和壓力云圖。從速度云圖可以看出，隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加，風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇內(nèi)部中心、機(jī)翼后緣氣流流速明顯增加。而從壓力云圖看出，隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加，風(fēng)扇中心的壓力逐漸降低，即偏心渦的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，扇翼上下翼面壓力差逐漸加大，升力逐漸增加。

圖14、15所示為前緣開角30°、迎角0°、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1000rpm時，不同來流速度下的扇翼速度云圖和壓力云圖。圖中可知，隨著來流速度的增加，風(fēng)扇內(nèi)部和扇翼后緣的流速增大;隨著來流速度的增加，風(fēng)扇內(nèi)部的偏心渦強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，扇翼前下弧形段壓力逐漸增加，扇翼上下表面壓差逐漸增大，升力逐漸增大，并且前后壓差逐漸增大，扇翼推力逐漸減小，甚至變?yōu)樽璧K扇翼流動的阻力;當(dāng)來流達(dá)到v=40m/s時，來流劇烈流過風(fēng)扇內(nèi)部，破壞了內(nèi)部偏心渦，使得扇翼升力開始極具下降。

圖16、17為來流速度5m/s、迎角0°、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1000rpm時，不同前緣開角下的扇翼速度云圖和壓力云圖。從圖中可以看出，隨著前緣開角的增大，扇翼葉片周圍氣流流速，扇翼后緣的流速均顯著增大，風(fēng)扇內(nèi)部偏心渦的強(qiáng)度逐漸加大，扇翼升力增加，推力增加。因此，合理增大扇翼前緣開角對提升扇翼升推力特性大有裨益。

綜上所述，可得出：

（1）當(dāng)扇翼幾何參數(shù)一定時，在一定范圍內(nèi)提升轉(zhuǎn)速和改變來流速度均能有效提升扇翼的升力特性;

（2）當(dāng)扇翼幾何參數(shù)一定時，在一定范圍內(nèi)提升轉(zhuǎn)速、改變來流速度均能有效提升扇翼的推力特性;

（3）增大前緣開角，能夠增加扇翼表面氣流流速、增大偏心渦強(qiáng)度，增加扇翼的升力和推力。

（4）前緣開角、來流速度、轉(zhuǎn)速均能顯著影響扇翼的氣動特性，在使用過程中應(yīng)根據(jù)實際需要做好三者的匹配。