涵道螺旋槳設(shè)計變量的影響及其流動機(jī)理

韓凱，白俊強(qiáng)，邱亞松，昌敏

西北工業(yè)大學(xué) 無人系統(tǒng)技術(shù)研究院， 西安 710072

涵道螺旋槳是一種將螺旋槳置于圓環(huán)形涵道內(nèi)以提高推進(jìn)效率的推進(jìn)裝置，其具有推進(jìn)效率高、結(jié)構(gòu)布局緊湊、安全性高和噪聲水平低等方面的優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于分布式電推進(jìn)飛行器、城市空中交通飛行器、垂直起降飛行器和水下推進(jìn)系統(tǒng)。涵道螺旋槳主要由涵道、螺旋槳和短艙等基本部件組成，有的還包括涵道進(jìn)出口處的消旋定子或舵面等。

美國自20世紀(jì)40年代開始就開始了對涵道螺旋槳技術(shù)的研究，也積累了較多的研究和設(shè)計經(jīng)驗。Taylor和Black等使用試驗方法，較為系統(tǒng)地研究了涵道長度、涵道擴(kuò)散角、涵道唇口形狀和來流速度等設(shè)計變量對涵道螺旋槳系統(tǒng)推力和效率的影響，此項研究的范圍較為廣泛，但少有從涵道與槳葉相互影響的角度研究，且限于研究目的和當(dāng)時試驗技術(shù)的水平，文中對各參數(shù)對氣動效率的影響表述較多，而對流動特征和流動機(jī)理的討論較少。Graf使用試驗方法研究了圓形唇口、橢圓形唇口對涵道螺旋槳系統(tǒng)的氣動特性的影響；Pereira使用試驗方法研究了不同涵道出口擴(kuò)張角對涵道螺旋槳系統(tǒng)的氣動特性的影響。Akturk和Camci運(yùn)用計算和試驗的方法研究了槳尖間隙對涵道風(fēng)扇飛行器氣動特性的影響，研究表明隨著間隙的增大效率會變低。Bento等利用定常和準(zhǔn)定常的數(shù)值模擬方法研究了圓形涵道和方形涵道的氣動特性，研究表明，方形涵道的拐角處容易發(fā)生流動分離，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流動，推進(jìn)效率也會有所損失；另外美國馬里蘭大學(xué)和麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。

國內(nèi)也有一些學(xué)者對涵道螺旋槳設(shè)計變量的影響進(jìn)行了研究。程鈺鋒等基于滑移網(wǎng)格模型求解三維非定常Navier-Stokes方程，研究了涵道螺旋槳總拉力、螺旋槳部件拉力和涵道部件拉力隨螺旋槳槳盤位置的變化規(guī)律，得到了一些有意義的結(jié)論；李曉華等使用數(shù)值模擬方法研究了槳尖間隙、唇口曲率半徑和涵道內(nèi)壁面擴(kuò)張角以及長徑比等幾何參數(shù)對涵道風(fēng)扇氣動特性的影響，文中在對長徑比的研究中保持涵道唇口和涵道中段保持不變，只改變涵道擴(kuò)張段的長度；姬樂強(qiáng)等基于激勵盤方法研究了唇口半徑、涵道擴(kuò)張角、槳尖間隙及槳葉相對位置等設(shè)計參數(shù)對氣動特性的影響，并對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，但是由于激勵盤方法上的缺陷，無法研究涵道和螺旋槳之間的相互影響;蘇運(yùn)德等采用了基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的滑移網(wǎng)格技術(shù)，對懸停狀態(tài)下槳尖間隙和雙槳間距對涵道螺旋槳?dú)鈩有阅艿挠绊戇M(jìn)行了研究；李建波和高正等對尾座式涵道風(fēng)扇式無人飛行器在自由來流影響下的升阻特性進(jìn)行了試驗研究，試驗狀態(tài)變量包括涵道高度、吹風(fēng)速度、涵道前傾角和風(fēng)扇槳距,試驗結(jié)果表明涵道在前飛狀態(tài)比懸停狀態(tài)產(chǎn)生更大的升力，但這一優(yōu)勢卻被涵道的較大阻力所排斥，因而涵道風(fēng)扇如果用作升力系統(tǒng)，僅適用于強(qiáng)調(diào)懸停和低速飛行的飛行器;郭佳豪等基于動量葉素理論，并通過CFD計算對設(shè)計進(jìn)行修正，提出了一種涵道螺旋槳槳葉高效設(shè)計方法;Qing等基于Kriging代理模型對懸停狀態(tài)下的涵道和螺旋槳等多個部件的幾何形狀進(jìn)行綜合優(yōu)化。

上述總結(jié)中，國內(nèi)外學(xué)者使用試驗和數(shù)值模擬方法，研究了涵道長度、涵道擴(kuò)散角、唇口形狀、槳尖間隙、槳盤位置等多個設(shè)計變量對涵道風(fēng)扇或涵道螺旋槳?dú)鈩犹匦缘挠绊?，而對于螺旋槳轉(zhuǎn)速和來流速度、徑弦比以及涵道唇口偏轉(zhuǎn)對涵道螺旋槳?dú)鈩犹匦缘挠绊懞土鲃訖C(jī)理研究較少，因而本文借助數(shù)值求解方法對這幾個設(shè)計變量進(jìn)行初步探索研究，在研究中注重對涵道和螺旋槳部件之間的影響機(jī)理以及設(shè)計參數(shù)對涵道螺旋槳?dú)鈩犹匦杂绊懗潭鹊目偨Y(jié)和闡述。在大力發(fā)展綠色航空的背景下，本文對涵道螺旋槳參數(shù)影響規(guī)律及流動機(jī)理的研究具有一定的參考意義。

1 數(shù)值模擬方法及驗證

1.1 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬技術(shù)通過求解流動控制方程對流場近似模擬，能夠處理復(fù)雜的流動問題，既可以降低試驗的成本，又可以通過對流場的可視化解讀，有效解釋流動機(jī)理。本文將借助于基于RANS和多重參考坐標(biāo)系(Multiple Reference Frame, MRF)的準(zhǔn)定常數(shù)值模擬方法開展研究。基于多重參考坐標(biāo)系方法的本質(zhì)是定常模擬，求解的是某一時刻的流動，但因其考慮了旋轉(zhuǎn)速度效應(yīng)，能在一定程度上模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)的工況，因此視為準(zhǔn)定常模擬。準(zhǔn)定常方法既能保留主要的流場特征，計算效率又比非定常模擬高,因此是一種被廣泛應(yīng)用的計算方法。

MRF方法的主要思想是在螺旋槳的周圍建立一個封閉的近似于圓柱體的區(qū)域，用于模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，稱之為旋轉(zhuǎn)域。而在其他區(qū)域劃分網(wǎng)格用于計算其他靜止的部件的流場，稱之為靜止域，旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格和靜止域的網(wǎng)格分開生成，旋轉(zhuǎn)域和靜止域之間有交界面進(jìn)行通量傳遞，交界面只需要面搭接，這降低了網(wǎng)格生成難度。旋轉(zhuǎn)域有其與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相匹配的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，靜止域則是相對不變的靜止坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)域內(nèi)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下求解流動控制方程，靜止域中在靜止坐標(biāo)系下求解流動控制方程，在兩個坐標(biāo)系之間經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)變換和多域之間的數(shù)據(jù)插值，實現(xiàn)包含旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的多域流場的數(shù)值模擬。本文采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子方法，靜止域和旋轉(zhuǎn)域之間的相對位置固定，但是旋轉(zhuǎn)域具有旋轉(zhuǎn)角速度，因而可以把凍結(jié)轉(zhuǎn)子方法看作非定常計算方法中的某一時刻。

精心分布的多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格較非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能更好地模擬流場。為了更好地捕捉流場細(xì)節(jié)，本文中所有構(gòu)型中的旋轉(zhuǎn)域和靜止域均采用多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。靜止域?qū)凑諅鹘y(tǒng)生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的方式生成六面體網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格由于具有明顯的圓周陣列特點(diǎn)，因而采用的生成策略是先劃分單個槳葉區(qū)域的網(wǎng)格，在保證兩側(cè)周期面上網(wǎng)格點(diǎn)與點(diǎn)相對應(yīng)的前提下，旋轉(zhuǎn)復(fù)制出其他部分的網(wǎng)格。如圖1所示，虛線框內(nèi)的網(wǎng)格是整個旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格的1/4，先在此區(qū)域內(nèi)生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，然后將此區(qū)域網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)復(fù)制3次，以生成整個旋轉(zhuǎn)域的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。當(dāng)來流方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸方向相同時，其槳盤載荷是中心對稱的，可以使用1/4區(qū)域的網(wǎng)格計算，但是本文還研究了來流方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向不一致即帶迎角的工況，槳盤載荷不再是中心對稱的，必須使用全模網(wǎng)格計算，為了保證網(wǎng)格統(tǒng)一性，因此本文使用全模網(wǎng)格進(jìn)行計算。

圖1 涵道螺旋槳網(wǎng)格Fig.1 Ducted propeller mesh

在某些計算域邊界上施加某些客觀或假設(shè)的物理和數(shù)學(xué)規(guī)律可以使得流動控制方程求解更容易獲得唯一的結(jié)果。在計算域的入口設(shè)置入口邊界條件，給定來流速度等條件，出口設(shè)置出口邊界條件，給定相對壓力等條件，在遠(yuǎn)場采用開放邊界條件，對于涵道、短艙和槳葉等部件給定無滑移物面邊界條件，在交界面處設(shè)定交界面邊界條件，如圖2 所示。

本文采用了剪切應(yīng)力輸運(yùn)(Shear Stress Transport, SST)-兩方程湍流模型進(jìn)行全湍計算，SST-模型綜合了-和-兩個湍流模型的優(yōu)點(diǎn)，對于附面層流動，SST-模型繼承了-湍流模型能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定的預(yù)測壓力梯度主導(dǎo)的對數(shù)附面層的優(yōu)點(diǎn)，而在附面層邊界之外的流場，繼承了-模型對自由來流參數(shù)不過度敏感的優(yōu)點(diǎn)。該模型考慮了湍流切應(yīng)力的影響，能夠較好的預(yù)測逆壓梯度主導(dǎo)的流場特征。因此，SST-模型適合計算附面層流動，也適合計算分離氣流離開物面在空間的發(fā)展。國內(nèi)外大量實踐表明SST-模型能夠相對準(zhǔn)確預(yù)測航空航天領(lǐng)域分離流動的復(fù)雜現(xiàn)象。

圖2 邊界條件設(shè)置方法Fig.2 Boundary condition setup

1.2 數(shù)值模擬方法驗證

為驗證本文使用的基于MRF的求解方法的求解精度，本節(jié)使用NASA涵道螺旋槳的風(fēng)洞模型進(jìn)行驗證，該涵道螺旋槳系統(tǒng)模型的幾何尺寸和外形如圖3所示。該涵道螺旋槳系統(tǒng)是一個三槳葉構(gòu)型，其螺旋槳直徑為381 mm，轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，槳葉使用的葉型為NACA6412，其在75%展向長度處葉型的扭轉(zhuǎn)角為24°，其他幾何信息在文獻(xiàn)[37]中給出，其靜止域和旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，部件劃分與圖1一致，邊界條件設(shè)置與圖2一致。

圖3 NASA涵道螺旋槳驗證計算模型Fig.3 Verification calculation model for NASA ducted propeller

本文驗證了前進(jìn)比=0.595、迎角=0°的推進(jìn)狀態(tài)下螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩的計算精度，自由來流速度為30.23 m/s，其他狀態(tài)參數(shù)與試驗條件保持一致。旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格量為520萬左右，靜止域網(wǎng)格量為560萬。

根據(jù)文獻(xiàn)[37]提供的數(shù)據(jù)，迎角=0°狀態(tài)的螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩的計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表1所示，相對誤差均在可接受范圍內(nèi)，其誤差可能主要是模型外形的誤差導(dǎo)致的，可以得出本文使用的計算方法具有較高可信度的結(jié)論。

表1 J=0.595、α=0°狀態(tài)試驗值與計算值對比

為了探究網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，本小節(jié)對基礎(chǔ)構(gòu)型進(jìn)行驗證，選取了3種不同密度的網(wǎng)格，如表2所示。

表2 3種網(wǎng)格密度對比Table 2 Comparison of three mesh densities

對上述3種不同網(wǎng)格密度的構(gòu)型采用相同的計算方法和相同的邊界條件進(jìn)行計算，對比推力和轉(zhuǎn)矩特性如表3所示。定義網(wǎng)格單元尺度為網(wǎng)格量的負(fù)2/3次方，推力和轉(zhuǎn)矩隨網(wǎng)格單元尺度變化的線性度較好，證明本文CFD求解方法對于該構(gòu)型網(wǎng)格的收斂性較好。低密度網(wǎng)格計算結(jié)果誤差相對較大，而高密度網(wǎng)格計算耗時較長，為了兼顧計算精度和計算效率，本文采用中等密度網(wǎng)格量進(jìn)行計算。

表3 3種網(wǎng)格密度計算結(jié)果對比Table 3 Comparison of results of three mesh densities

2 基礎(chǔ)構(gòu)型、工況和坐標(biāo)系定義

使用圖4所示的基礎(chǔ)構(gòu)型研究設(shè)計變量對氣動特性的影響。其坐標(biāo)系定義方法為，正方向為自由來流方向；指向飛機(jī)的右方為軸正方向；利用右手定則，垂直于平面指向上為的正方向，短艙前緣頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。出于降低問題分析復(fù)雜度的目的，本文對模型進(jìn)行了合理的簡化。圖4(a)展示了涵道=0 m的上下截面，此截面在后文中用來分析涵道部件的氣動特性。圖4(b)和圖4(c)展示了軸向速度監(jiān)測點(diǎn)的布置情況，根據(jù)涵道螺旋槳坐標(biāo)系的設(shè)置，分別對=0.4 m位置處坐標(biāo)從0.1～0.6 m段內(nèi)的軸向速度進(jìn)行了提取，也對從坐標(biāo)(0,0,0.4) m到坐標(biāo)(1,0,0.4) m線段內(nèi)的軸向速度進(jìn)行了提取。

圖4 基礎(chǔ)構(gòu)型、坐標(biāo)系與軸向速度監(jiān)測點(diǎn)Fig.4 Basic configuration model, coordinate system and speed monitoring points

一副設(shè)計良好的螺旋槳其來流速度、旋轉(zhuǎn)速度和槳葉扭轉(zhuǎn)角是相互匹配的。本文以城市空中交通飛行器的巡航工況為研究背景，為了保證較高的安全性和經(jīng)濟(jì)性，此類飛行器的巡航速度通常在馬赫數(shù)=0.1～0.2，考慮本文槳葉的幾何特性和空氣動力學(xué)特性，經(jīng)過總體設(shè)計評估，確定本文涵道螺旋槳系統(tǒng)的典型計算狀態(tài)如表4所示，在第4、5節(jié)中均以此狀態(tài)作為基礎(chǔ)計算狀態(tài)。

表4 涵道螺旋槳系統(tǒng)計算參數(shù)Table 4 Calculation parameters for ducted propeller

3 螺旋槳轉(zhuǎn)速和來流速度的影響

本節(jié)研究基礎(chǔ)構(gòu)型在相同來流速度情形下不同螺旋槳轉(zhuǎn)速的氣動特性以及相同轉(zhuǎn)速下不同來流速度的氣動特性,工況如表5所示。

討論螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度和來流速度對氣動特性影響之前，先討論涵道推力產(chǎn)生的來源。對涵道螺旋槳在0°迎角狀態(tài)下的物理量在一個周期內(nèi)時均化處理，其流動特性可以視為中心對稱，因而可以用涵道某個截面翼型的受力情況代替整個涵道的受力情況。圖5比較了在一定迎角下前飛機(jī)翼的翼型和0°迎角下前飛的涵道螺旋槳的涵道截面翼型的受力情況。

圖5以升力和阻力在運(yùn)動方向上的分量之和分析涵道的推力，涵道產(chǎn)生推力的主要原因是涵道唇口處在螺旋槳的抽吸誘導(dǎo)下的上洗氣流中。為了便于分析，假設(shè)兩個翼型的型面和翼型表面各處的壓力系數(shù)和受力情況相同，兩者不同之處在于運(yùn)動方向不同。因而涵道翼型的升力方向相對于運(yùn)動方向向前偏轉(zhuǎn)了一個角度，升力矢量在來流方向上的分力與阻力在來流方向的分力的合力若指向涵道前進(jìn)方向，即是涵道產(chǎn)生的推力，而在一定迎角下前飛的機(jī)翼的翼型，在飛機(jī)運(yùn)動方向上產(chǎn)生的始終是阻力。從表面壓力系數(shù)分布來看，涵道截面翼型前緣低壓吸力峰在運(yùn)動方向上的分力大于單獨(dú)翼型前緣低壓吸力峰在運(yùn)動方向上的分力。

表5 研究螺旋槳轉(zhuǎn)速和來流速度影響中設(shè)置的工況

圖5 兩種構(gòu)型的受力分析Fig.5 Force analysis of two configurations

3.1 螺旋槳轉(zhuǎn)速對推力特性的影響

對螺旋槳推力大小影響最大的因素主要來自于兩個方面，一方面是槳葉前方來流的動壓和葉素當(dāng)?shù)赜?；另一方面則是受到涵道唇口流動的影響，例如涵道唇口失速后紊亂的氣流會影響槳葉推力。在本文研究的4 000～12 000 r/min范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增加，槳葉的推力呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢。

影響涵道推力的原因與螺旋槳類似，如圖6所示，在唇口不發(fā)生流動分離的轉(zhuǎn)速下，隨著轉(zhuǎn)速增加，誘導(dǎo)的入涵氣流角增大，涵道唇口內(nèi)壁面動壓增加，壓力系數(shù)減小，涵道的推力是增加的，在10 000 r/min附近達(dá)到最高。隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加，會在唇口附近發(fā)生嚴(yán)重的流動分離，使涵道部件推力降低。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下Y=0 m涵道對稱面處速度云圖和流線Fig.6 Velocity contour and streamline at symmetry plane Y=0 m of duct at different rotation speeds

圖7展示了不同轉(zhuǎn)速下涵道螺旋槳的推力特性。隨著轉(zhuǎn)速的增加，涵道部件推力占總推力的比例呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在6 000 r/min附近達(dá)到最高。在轉(zhuǎn)速小于6 000 r/min時，轉(zhuǎn)速越大，相當(dāng)于來流速度越小，對于孤立螺旋槳而言槳后滑流的收縮率會越小，而帶有涵道的構(gòu)型后方滑流會沿著涵道內(nèi)壁面流動，使其收縮率減小相對較少，因此涵道對滑流收縮率的影響越大，即涵道效應(yīng)越強(qiáng)，涵道推力占比更大。在轉(zhuǎn)速較高的工況下，對前方抽吸作用較強(qiáng)，前方氣流捕獲面積

圖7 不同轉(zhuǎn)速下涵道螺旋槳各部件的推力Fig.7 Thrust of each component of ducted propeller at different rotation speeds

較大，使入涵氣流角較大，涵道部件推力的增加進(jìn)入非線性區(qū)，甚至超過了涵道唇口失速迎角，使得氣流在唇口處發(fā)生流動分離。而螺旋槳的推力隨轉(zhuǎn)速增加仍然以線性增長速率增加，因而涵道部件的推力占比減小。

3.2 來流速度對推力特性的影響

表6展示了不同來流速度下涵道螺旋槳各部件的推力，圖8分別展示了不同來流速度下涵道螺旋槳和孤立螺旋槳前槳面壓力云圖和流線，通過對比孤立螺旋槳和涵道螺旋槳的流動特征可以分別研究來流速度和涵道部件對槳葉氣動特性的影響，其影響主要體現(xiàn)在流經(jīng)槳葉的動壓和當(dāng)?shù)厝~素的迎角的不同。圖8中壓力表示當(dāng)?shù)貕毫εc參考壓力之差。由圖8可知，由于涵道唇口對氣流的加速作用，涵道螺旋槳構(gòu)型中的槳葉流動分離現(xiàn)象得到緩解。

表6 不同來流速度下涵道螺旋槳各部件的推力

圖8 不同來流速度下孤立螺旋槳和涵道螺旋槳前槳面的壓力云圖和流線Fig.8 Pressure contour and streamline of the front surface of isolated propeller and ducted propeller at different freestream speeds

由表6所示，當(dāng)=17.01 m/s時，涵道螺旋槳的槳葉推力和總推力都是最大的。=1.02 m/s 時槳葉推力小于=17.01 m/s，主要是兩個方面的原因，第一是槳葉本身在此來流速度下會產(chǎn)生流動分離現(xiàn)象，如圖8所示；第二是因為此時流動捕獲面積較大，唇口處的入涵氣流角過大，導(dǎo)致涵道唇口發(fā)生流動分離，如圖9所示，分離的氣流影響了槳尖推力的產(chǎn)生。

=17.01 m/s時，其推力增加的主要原因是槳葉流動分離和涵道唇口的流動分離得到緩解。而隨著速度進(jìn)一步增加到34.03 m/s，動壓雖然增加，但是葉素當(dāng)?shù)赜菚M(jìn)一步減小，實際的推力也進(jìn)一步減小，說明此時的迎角減小的效應(yīng)將會發(fā)揮主要作用。隨著來流速度增大到51.04 m/s，流動分離現(xiàn)象完全消失，前槳面的負(fù)壓形態(tài)基本保持一致，只會在具體數(shù)值上表現(xiàn)出一定的差異。當(dāng)來流速度繼續(xù)增大在102.09 m/s后，此時拉力系數(shù)和功率系數(shù)均為負(fù)值，螺旋槳處于風(fēng)車狀態(tài)，由于此狀態(tài)已不是涵道螺旋槳的巡航狀態(tài)，因此不是本節(jié)的討論重點(diǎn)。

表7展示了不同自由來流速度下推力特性對比，自由來流速度相差了幾十倍，但是流量卻僅相差2～3倍左右，因而可以推斷其前方流動捕獲面積相差比較大。由于其在不同來流速度下轉(zhuǎn)矩相差不大，因而在研究范圍內(nèi)，隨著自由來流速度的增加，推進(jìn)效率會先增加后下降。

圖9 不同來流速度下Y=0 m截面位置處速度云圖和流線對比Fig.9 Comparison of pressure contour and streamline of ducted propeller at Y=0 m section at different freestream speeds

表7 涵道螺旋槳α=0°下不同來流速度推力特性對比

圖10展示了不同來流速度下涵道壓力系數(shù)對比，橫坐標(biāo)是壓力，縱坐標(biāo)是涵道的坐標(biāo)，該圖可以方便地解讀出推力的變化趨勢和駐點(diǎn)位置的變化。當(dāng)自由來流速度較大時，負(fù)壓峰值減小，來流動壓轉(zhuǎn)化為駐點(diǎn)高壓，使得駐點(diǎn)壓力更高，且駐點(diǎn)更靠近幾何前緣，使得涵道的推力減小。來流速度增加，涵道頭部負(fù)壓峰值經(jīng)歷了先增大后減小的過程，峰值位置也逐漸向內(nèi)壁面轉(zhuǎn)移，峰值增大是因為失速情況逐漸緩解，而峰值減小是因為速度增大使得前方氣流捕獲面積減小，唇口的入涵氣流角減小導(dǎo)致的。

圖10 不同來流速度涵道Y=0 m下截面處壓力系數(shù)對比Fig.10 Comparison of cross section pressure coefficients of ducts at Y=0 m at different freestream speeds

圖11展示了不同來流速度下槳葉推力系數(shù)沿展向的分布，當(dāng)來流速度為=1.02 m/s時，受到槳葉前槳面失速和涵道唇口失速的雙重影響，整個槳面的推力系數(shù)偏小，而當(dāng)自由來流速度增加到=17.01 m/s時，槳葉失速情況得到改善，其主要受到涵道唇口失速的影響，因而在槳尖的推力系數(shù)迅速減小，但是推力系數(shù)開始減小的位置相對于=1.02 m/s時更靠外。

圖11 不同來流速度下槳葉推力系數(shù)沿展向的分布Fig.11 Distribution of propeller thrust coefficient along span direction at different freestream speeds

文獻(xiàn)[38]認(rèn)為在給定螺旋槳槳距和轉(zhuǎn)速的情況下，隨著前進(jìn)比的增加，螺旋槳的拉力系數(shù)由靜止?fàn)顟B(tài)的最大值逐漸減小，這個結(jié)論是基于小前進(jìn)比下槳葉不發(fā)生流動分離的假設(shè)，本文基于此結(jié)論的基礎(chǔ)上研究認(rèn)為如果在小前進(jìn)比狀態(tài)下槳葉發(fā)生流動分離，拉力系數(shù)隨前進(jìn)比的變化趨勢為先增大后減小。如圖12所示。

圖12 不同條件下推力系數(shù)隨前進(jìn)比變化趨勢Fig.12 Tend of variation of thrust coefficient with forward ratio under different conditions

4 涵道徑弦比對推力特性的影響

本節(jié)研究了涵道徑弦比(Aspect Ratio, AR)對涵道螺旋槳軸流狀態(tài)下氣動特性的影響，并分析涵道和槳葉之間相互影響的流動機(jī)理，徑弦比定義為螺旋槳根部弦線中點(diǎn)所在弦向平面位置與涵道內(nèi)壁面相交圓的直徑與涵道剖面翼型的弦長之比。5個構(gòu)型側(cè)視剖面示意圖如圖13所示。

以NACA0012翼型作為涵道剖面基礎(chǔ)翼型，選取了4個典型的徑弦比參數(shù)，分別是AR=0.5，AR=1，AR=2，AR=3，并以孤立螺旋槳構(gòu)型(AR=∞)作為對照。研究計算工況使用表4展示的工況。

表8展示了不同徑弦比各個部件的推力對比，通過對推力特性的解讀，涵道對涵道螺旋槳系統(tǒng)的影響規(guī)律及原因可以總結(jié)為

1) 帶有涵道的構(gòu)型中，涵道徑弦比越大，涵道螺旋槳的總推力越大，只有當(dāng)徑弦比大于某個值時，涵道螺旋槳的總推力才會大于孤立螺旋槳。理論上，同等直徑下經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后涵道螺旋槳的涵道推力可達(dá)螺旋槳推力的100%。雖然涵道的存在會對槳葉的推力產(chǎn)生負(fù)面影響，但是涵道本也會提供一部分推力，也會增加短艙部件的推力。

圖13 不同涵道徑弦比側(cè)視剖面示意圖Fig.13 Side profile of duct with different aspect ratios

表8 不同徑弦比涵道螺旋槳各部件的推力

2) 在研究范圍內(nèi)，孤立螺旋槳的槳葉推力始終大于帶有涵道的槳葉的推力，涵道徑弦比越大，槳葉推力及槳葉占總推力的比例也越大。

3) 涵道使系統(tǒng)的推進(jìn)效率得到提升。推進(jìn)效率的提高主要有兩個的原因，AR>1的構(gòu)型中槳葉的轉(zhuǎn)矩小于孤立螺旋槳，而總推力相對于孤立螺旋槳較高。螺旋槳轉(zhuǎn)矩較低的原因是槳前速度較高，葉素當(dāng)?shù)赜窃叫　?/p>

4) 隨著徑弦比的增加，涵道部件的推力先增大后緩慢減小。圖14展示了AR=0.5和AR=2兩個構(gòu)型在=0 m處壓力系數(shù)的對比，可以看出，AR=0.5和AR=2兩個構(gòu)型在槳前唇口處表現(xiàn)出了不同氣流流動形態(tài)，AR=0.5構(gòu)型的唇口內(nèi)壁面從前緣到槳前，氣流一直處于加速狀態(tài)，壓力系數(shù)不斷降低，而在AR=2構(gòu)型中壓力系數(shù)在靠近前緣的位置達(dá)到峰值，在內(nèi)壁面到槳前一直處于逆壓狀態(tài)。

5) 隨著涵道徑弦比的增大吸入的流量是減小趨勢，如表9所示，氣流加速的效應(yīng)減弱。

圖14 AR=0.5和AR=2構(gòu)型涵道上截面壓力系數(shù)對比Fig.14 Comparison of cross section pressure coefficient at Y=0 m between AR=0.5 and AR=2 configuration

表9 α=0°下不同涵道徑弦比氣動性能對比

6) 涵道徑弦比越大，短艙的推力越小，在孤立螺旋槳中短艙為負(fù)推力。如圖15所示。涵道使入流氣流加速，在短艙的頭部產(chǎn)生較明顯的負(fù)壓區(qū)域，使短艙產(chǎn)生正推力，隨著徑弦比增加，加速效應(yīng)減弱，使短艙的推力減小。

圖15 短艙對稱面壓力系數(shù)對比Fig.15 Comparison of pressure coefficient on nacelle symmetry plane

5 涵道唇口偏轉(zhuǎn)的影響

5.1 唇口偏轉(zhuǎn)對推力特性的影響

唇口的形狀對涵道系統(tǒng)的氣動特性有著重要的影響。文獻(xiàn)[21-22]研究了唇口的形狀對氣動特性的影響。本節(jié)對唇口偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行變參分析，以獲得比較直觀的認(rèn)知。

圖16所示的是以AR=2構(gòu)型為基礎(chǔ)構(gòu)型改變涵道唇口頭部偏轉(zhuǎn)角度后的剖面形狀，以=0.14弦長處為旋轉(zhuǎn)中心，將前緣型面旋轉(zhuǎn)-20°、-10°、20°和40°，規(guī)定向內(nèi)偏轉(zhuǎn)為負(fù)，向外偏轉(zhuǎn)為正。研究計算工況使用表4展示的工況。

圖16 改變涵道唇口形狀剖面示意圖Fig.16 Changing deflection angles of duct lip

表10展示了唇口偏轉(zhuǎn)不同角度的各部件推力結(jié)果。如圖17所示，=-20°的構(gòu)型前緣唇口向內(nèi)偏轉(zhuǎn)的形狀阻礙了氣流的正常流入涵道內(nèi)部，發(fā)生了流動分離，不僅影響了涵道的推力，分離的氣流也影響了槳葉推力的產(chǎn)生。而向外偏轉(zhuǎn)的=20°和=40°構(gòu)型則可以很好地順應(yīng)氣流的流動趨勢，氣流沿涵道唇口內(nèi)壁面流入涵道，一直處于加速的狀態(tài)。

表10 不同唇口偏轉(zhuǎn)角度下涵道螺旋槳各部件的推力

圖17 偏轉(zhuǎn)不同角度涵道前緣附近軸向速度云圖Fig.17 Axial velocity contour near leading edge of duct with different deflection angles

5.2 唇口偏轉(zhuǎn)對大迎角特性的影響

不同唇口偏轉(zhuǎn)角度對涵道螺旋槳的大迎角氣動力特性有明顯的影響。圖18展示了在0°～20°迎角范圍內(nèi)各個構(gòu)型總推力、涵道推力、槳葉推力隨迎角變化的趨勢。由于=-20°構(gòu)型在入口處氣流分離較嚴(yán)重，本節(jié)不再討論這種構(gòu)型。

在本文的研究范圍內(nèi)，=-10°構(gòu)型的總推力隨著迎角增大而逐漸減小，而另外3個構(gòu)型的總推力隨著迎角增大而增大，總推力增幅的排序為=20°構(gòu)型>=40°構(gòu)型>=0°構(gòu)型，說明隨著向外偏轉(zhuǎn)角度的增加，大迎角下總推力增幅先增加后減小。螺旋槳的推力方面，=0°、=20°、=40°這3種構(gòu)型的螺旋槳推力隨迎角變化基本一致，有小幅的增加，但是=-10°則出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這與涵道入口處的氣流分離有關(guān)。本文研究范圍內(nèi)，隨著迎角的增大，大迎角下涵道推力增加量有較大的區(qū)別，唇口向外偏轉(zhuǎn)可以增加涵道的推力，=40°構(gòu)型大迎角涵道推力比=20°構(gòu)型小的原因是由于唇口向外偏轉(zhuǎn)角度過大，在大迎角時氣流無法順利流經(jīng)涵道上半部分的外壁面，發(fā)生流動分離，減小了涵道部件的推力，因而可以推斷，隨著外偏角度的增大，其大迎角特性會進(jìn)一步惡化?？偼屏Φ淖兓厔菖c涵道推力的變化趨勢基本一致。說明隨著迎角增加，涵道推力的變化對總推力的變化有重要的作用。

圖18 不同部件的推力隨迎角變化的特性對比Fig.18 Variation of thrust characteristic of each component of ducted propeller with angle of attack

圖19展示了=-10°、=0°和=20°這3種構(gòu)型在10°迎角下的涵道=0 m對稱面處上截面翼型的壓力系數(shù)沿方向的對比，=20°構(gòu)型中到達(dá)負(fù)壓峰值的順壓梯度明顯緩和了很多，這對提高其大迎角的失速特性具有積極影響。=20°構(gòu)型的槳后涵道內(nèi)壁面的壓力系數(shù)要比=0°構(gòu)型略微高一點(diǎn)，這對提升其推力也有正面影響。

圖19 不同構(gòu)型涵道Y=0 m上截面位置在10°迎角下壓力系數(shù)對比Fig.19 Comparison of up cross section pressure coefficients of duct at Y=0 m among different configurations at α=10°

6 涵道與槳葉之間相互影響的機(jī)理分析

通過上述對旋轉(zhuǎn)速度、來流速度、徑弦比和唇口偏轉(zhuǎn)角度的影響研究以及對流場的分析解讀，本節(jié)對涵道和槳葉之間的相互影響總結(jié)如下：

1) 涵道對槳前氣流有加速和整流作用。涵道唇口的曲面會使流經(jīng)槳前氣流的加速程度大于孤立螺旋槳，這可以緩解較小來流速度和較大轉(zhuǎn)速下槳葉的流動分離，也會使流經(jīng)涵道的流量增加，徑弦比越小，槳前加速越明顯。如圖20所示,在小迎角下，涵道的整流作用使得氣流沿著涵道內(nèi)壁面流向槳葉，因而槳葉感受到的迎角效應(yīng)較弱;在大迎角下，涵道唇口處的流動分離將會對槳葉推力產(chǎn)生不利影響。

圖20 不同徑弦比槳前X=0.23 m處速度云圖對比Fig.20 Comparison of velocity contour at X=0.23 m with different aspect ratios

2) 涵道的存在抑制了槳尖渦的生成和強(qiáng)度。如圖21和圖22所示(圖中:為渦量)，由于槳尖和涵道的間隙較小，槳尖渦的生成受到物理限制，因而可以降低槳尖渦的強(qiáng)度，提高槳尖推力，使涵道螺旋槳的效率增加；從能量角度來說，抑制槳尖渦生成和發(fā)展可以有效減小無效能量的耗散；從設(shè)計參數(shù)角度考慮，抑制了槳尖渦的發(fā)展相當(dāng)于延長了槳葉的有效長度，間接減小了槳盤載荷，而降低槳盤載荷可以提高推進(jìn)效率。

圖21 兩構(gòu)型槳尖速度云圖和流線Fig.21 Comparison of velocity contour and streamlines of propeller tip between two configurations

圖22 兩種構(gòu)型在X=1 m處Q值云圖Fig.22 Comparison of Q contour between two configurations at X=1 m

3) 涵道的存在改變了槳葉后方滑流軸向的流動特征，在一定范圍內(nèi)，使孤立螺旋槳的收縮加速再擴(kuò)張減速的流動特征變?yōu)閿U(kuò)張減速的特征，如圖23所示。對于孤立螺旋槳來說，后方滑流沒有受到涵道的誘導(dǎo)和限制，在螺旋槳做功的影響下，會在一定范圍內(nèi)收縮加速，然后變?yōu)閿U(kuò)張減速；涵道使槳后氣流的流動更加均勻，這是因為受到康恩達(dá)效應(yīng)的影響，氣流會沿著涵道螺旋槳擴(kuò)張段的形狀流動，滑流面積增大，槳后的氣流在一定范圍內(nèi)保持?jǐn)U張減速的流態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槳對氣流做功能力增強(qiáng)，槳后氣流收縮加速的作用會在一定區(qū)域內(nèi)逐漸顯著。從圖24的槳后=0.4 m處軸向速度沿槳葉展向分布來看，涵道螺旋槳構(gòu)型展向分布更加飽滿，最大值幾乎位于槳尖處。而孤立螺旋槳軸向最大速度的展向位置相對靠內(nèi)，孤立螺旋槳的槳尖渦降低了槳尖處的載荷。

圖23 兩種構(gòu)型在Z=0.4 m處軸向速度Fig.23 Comparison of axial velocity in Z direction between two configurations at Z=0.4 m

圖24 兩種構(gòu)型在X=0.4 m處軸向速度Fig.24 Comparison of axial velocity in X direction between two configurations at X=0.4 m

4) 涵道的存在使槳葉的展向推力分布發(fā)生了較大的變化，內(nèi)翼段載荷相差較小，中外翼段推力載荷較小，翼尖載荷較大，最大載荷位置從83.33% 變?yōu)?1.67%，如圖25所示。涵道使槳葉推力的損失主要集中在展向位置為20%～90%的中外翼段，主要是在這個展向范圍內(nèi)槳前速度增加，如圖20和圖24所示，葉素當(dāng)?shù)赜菧p小，從圖8可以看出，從34.03 m/s工況下前槳面壓力系數(shù)云圖可以看出，孤立螺旋槳構(gòu)型前槳面中外翼段前緣處的低壓的區(qū)域和數(shù)值都要比涵道螺旋槳構(gòu)型大，從而引起推力損失；由于孤立螺旋槳槳根區(qū)域的當(dāng)?shù)赜禽^大，發(fā)生了流動分離，因而在槳根區(qū)域涵道螺旋槳的載荷較大；而在翼尖附近涵道螺旋槳的槳葉載荷較大，主要是因為槳葉和涵道之間的間隙較小，受到涵道的物理限制，對槳尖渦生成和發(fā)展的有抑制作用。

圖26對比了無螺旋槳作用下AR=2的單獨(dú)涵道截面壓力系數(shù)和在螺旋槳影響下AR=2的涵道部件的截面壓力系數(shù)。從圖中可以看出，螺旋槳對涵道的影響主要表現(xiàn)在螺旋槳前方的抽吸作用和后方的滑流作用改變涵道內(nèi)壁面的壓力，抽吸作用使流經(jīng)涵道的氣流誘導(dǎo)出一定入涵氣流角，而經(jīng)過加速的氣流在槳后內(nèi)壁面的壓力系數(shù)也比單獨(dú)涵道的壓力系數(shù)低，從而影響涵道本身的升力和推力特性。

圖25 兩種構(gòu)型展向推力系數(shù)對比Fig.25 Comparison of propeller thrust coefficient distribution along span direction between two configurations

圖26 單獨(dú)涵道和螺旋槳影響下涵道Y=0 m處截面壓力系數(shù)對比Fig.26 Comparison of section pressure coefficients between isolated duct and duct under propeller’s influence at Y=0 m

當(dāng)轉(zhuǎn)速較高或是來流速度較小時，入涵氣流角會較大，超過了涵道唇口的失速速度后會對涵道的推力產(chǎn)生一定的影響。以產(chǎn)生升力為主的涵道螺旋槳的工況特點(diǎn)是自由來流速度低，槳盤載荷較大，前方氣流捕獲面積較大，需要對唇口進(jìn)行修型擴(kuò)張，盡可能延緩唇口的失速情形，而以推進(jìn)為主的涵道螺旋槳對于唇口的設(shè)計則需要考慮巡航態(tài)的綜合性能。

7 結(jié) 論

本文基于RANS方程和MRF準(zhǔn)定常求解方法對多個構(gòu)型的推進(jìn)式涵道螺旋槳進(jìn)行了氣動特性研究，探究了不同設(shè)計變量對涵道螺旋槳?dú)鈩犹匦缘挠绊懞土鲃訖C(jī)理。得出了如下結(jié)論：

1) 螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度和來流速度對涵道唇口內(nèi)外壁面流動特性和槳葉氣動特性有重要的影響，主要決定唇口的動壓、唇口的入涵氣流角和進(jìn)入涵道的氣流流量以及槳葉葉素當(dāng)?shù)氐膭訅汉陀恰Ｔ诤佬螤詈蜆~形狀保持一致的狀態(tài)下，螺旋槳轉(zhuǎn)速增加，涵道部件推力占總推力的比例先增加后減小，在6 000 r/min附近達(dá)到最大值，涵道部件的推力在10 000 r/min附近達(dá)到最大值，螺旋槳的推力一直增加。當(dāng)來流速度較慢時，前方的氣流捕獲面積大于涵道入口的面積，流經(jīng)涵道的氣流的駐點(diǎn)在外壁面，如果入涵氣流角超過了翼型的失速迎角，涵道唇口會產(chǎn)生流動分離，當(dāng)來流速度增加時，涵道內(nèi)壁面的動壓增加，駐點(diǎn)內(nèi)移，因此涵道部件的推力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；對于槳葉來說，氣流速度較慢使槳面發(fā)生流動分離，使槳葉推力減小，因此槳葉的推力隨來流速度的增加也是先增大后減小的趨勢。另外，涵道唇口的分離氣流對后方的槳葉的推力也會產(chǎn)生不利影響。

2) 在研究范圍內(nèi)，涵道徑弦比越大，涵道螺旋槳系統(tǒng)的總推力越大，槳葉的推力越大，槳葉占總推力的比例也會越大；單獨(dú)螺旋槳的槳葉推力始終大于帶有涵道的槳葉推力；涵道部件的存在使推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率提升。

3) 在本文的研究工況下，唇口往內(nèi)偏轉(zhuǎn)將對涵道推力和槳葉推力產(chǎn)生不利影響，表現(xiàn)為唇口失速，涵道和槳葉的推力減小。唇口向外偏轉(zhuǎn)會對推力特性產(chǎn)生積極影響，主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是在較大迎角時推力較大，另一方面是其頭部負(fù)壓峰值比較靠后，在唇口處一致處于加速狀態(tài)，前緣的順壓梯度較為緩和，大迎角的失速特性較好。涵道的壁面可以分為內(nèi)壁面和外壁面，內(nèi)壁面形狀主要影響內(nèi)流，外壁面形狀主要影響外流，氣流沿內(nèi)外壁面的加速和壓力恢復(fù)情況會影響涵道本身的推力和升力，流經(jīng)涵道唇口及內(nèi)壁面的內(nèi)流的流動品質(zhì)、氣流加速、失速情況還會影響槳葉的推力特性。

4) 系統(tǒng)總結(jié)了涵道和槳葉部件之間相互影響的流動機(jī)理。其中涵道對槳葉影響有：涵道唇口對槳前氣流有加速和整流作用；涵道的存在削減了槳尖渦的強(qiáng)度；涵道的存在顯著改變了槳葉后方滑流軸向加速的流動特征，使孤立螺旋槳的收縮加速再擴(kuò)張減速的流動特征變?yōu)橹挥袛U(kuò)張減速的流動特征；涵道使槳葉的展向推力分布發(fā)生了較大的變化，在整體推力減小的同時，內(nèi)翼段載荷幾乎不變，中外翼段推力載荷變小，翼尖載荷變大；槳葉對涵道的影響主要表現(xiàn)在螺旋槳前方的抽吸作用和后方的滑流作用改變涵道內(nèi)壁面的壓力，影響涵道本身的升推力特性。