第二十八屆(2012)全國直升機(jī)年會論文

1、第二十八屆（2012）全國直升機(jī)年會論文帶變向環(huán)涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)氣動特性分析丁自強(qiáng) 陸洋 陳仁良（南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016）摘 要：本文針對帶變向環(huán)涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)（VTDP ）系統(tǒng)，使用FLUENT結(jié)合動量源方法對其流場和氣動特性進(jìn)行分析，研究了該系統(tǒng)各偏轉(zhuǎn)部件在不同偏轉(zhuǎn)角度組合狀態(tài)下對系統(tǒng)氣動特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明變向環(huán)可以有效地將涵道風(fēng)扇產(chǎn)生的部分拉力轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向力，同時(shí)還可以提高風(fēng)扇產(chǎn)生的拉力； 但偏轉(zhuǎn)量過大會加快系統(tǒng)迎風(fēng)阻力的增大。關(guān)鍵詞：VTDP ;變向環(huán)； 動量源；CFD0引言大幅提高飛行速度已成為當(dāng)今直升機(jī)發(fā)展的趨勢之一，為了達(dá)到這一目

2、標(biāo)，各類型的高速復(fù)合 式直升機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。已有的幾種高速復(fù)合式直升機(jī)包括：傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，ABC剛性旋翼機(jī)，X旋翼機(jī),X-49速度鷹”等。其中，X-49采用的涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)（VTDP ）系統(tǒng)（見圖1）可以有效地提升復(fù) 合式直升機(jī)的最大飛行速度，改善直升機(jī)的操縱性能，在復(fù)合式高速直升機(jī)中具有良好的應(yīng)用前景； 同時(shí)相比于其他幾種構(gòu)型的復(fù)合式直升機(jī)，具有造價(jià)低和風(fēng)險(xiǎn)小的優(yōu)勢，且方便利用現(xiàn)有直升機(jī)的 機(jī)體進(jìn)行改裝。（a） X-49 “速度鷹”(b) VTDP圖1X-49 “速度鷹”及VTDP系統(tǒng)國外早在20世紀(jì)50、60年代便開始了針對涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的相關(guān)研究。文獻(xiàn)2-3開展了大量的試驗(yàn)來研究設(shè)計(jì)參數(shù)對涵道

3、風(fēng)扇系統(tǒng)的影響，試驗(yàn)變量包括涵道唇口外形、涵道長度、涵道擴(kuò)張角、 風(fēng)扇在涵道中的位置、風(fēng)扇總距、風(fēng)扇槳葉翼型、風(fēng)扇槳葉片數(shù)以及槳尖間隙在不同來流和風(fēng)扇轉(zhuǎn) 速下涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的推力特性等。這些試驗(yàn)結(jié)果對于涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究涵道產(chǎn)生附加推力 機(jī)理具有重要的作用。Jonathan Fleming等人則通過試驗(yàn)方法對各種增強(qiáng)涵道風(fēng)扇無人飛行器（UAV）縱向平面操縱性的方法進(jìn)行對比研究，其中包括傳統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)以及其他的輔助操縱裝置，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出若干控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的問題。Ign acio Guerrero， Kelly Lon de nberg等人為iSTAR系列涵道風(fēng)扇式無人機(jī)開發(fā)了基

4、于動量理論的涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)的計(jì)算模型5，但計(jì)算 結(jié)果誤差較大。國內(nèi)，孫傳偉，談勤怡等人采用經(jīng)典的渦流理論和面元法組合理論建立了涵道螺槳組合體氣動 特性工程分析模型 ，可為涵道體、螺旋槳、導(dǎo)流片以及垂直舵面的組合設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。陳仁 良，張德先，孔衛(wèi)紅等人先后通過試驗(yàn)和CFD方法對涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，得出了關(guān)于系統(tǒng)的若干結(jié)論；建立了一個(gè)處在斜流狀態(tài)下，能夠同時(shí)考慮涵道、風(fēng)扇以及舵面 相互作用的涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)氣動模型，并通過算例驗(yàn)證了模型的合理性。上述研究中均未對帶變向環(huán)的涵道矢量推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，國外也未見相關(guān)的公開文獻(xiàn)。為驗(yàn) 證變向環(huán)是否可以更好地提供側(cè)向力

5、，本文利用FLUENT軟件結(jié)合動量源方法對帶變向環(huán)的涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)的氣動特性進(jìn)行分析研究。1 涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)建模本文首先建立了一個(gè) 1m級的涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)幾何模型，模型的體軸系（OXYZ ）和風(fēng)軸系（OXvYvZv ）及迎角定義如圖2所示。涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的升力L和推力Fz方向分別與風(fēng)軸系 Yv軸和Zv軸重合，涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)的拉力 T方向與Z軸重合，側(cè)向力方向與 X軸負(fù)方向重合。 定義舵面和變向環(huán)繞 Y軸向X軸正方向偏轉(zhuǎn)為正。后續(xù)計(jì)算分析將以此模型為基礎(chǔ)。ZZvYX -Fx圖2涵道矢量推進(jìn)系統(tǒng)模型體軸系和風(fēng)軸系以及迎角定義模型主要由涵道體，螺旋槳，舵面以及變向環(huán)組成。系統(tǒng)的

6、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。在懸停狀態(tài)（圖3a）,變向環(huán)向外拉出并向左偏轉(zhuǎn)90°此時(shí)涵道氣流全部從左側(cè)吹出，起到加強(qiáng)反扭矩作用；前飛狀態(tài)時(shí)（圖 3b），變向環(huán)逐步收回，垂直氣動舵面向左偏轉(zhuǎn)，涵道左側(cè)氣流受到其阻擋而向左 側(cè)吹出，可起到配平主旋翼力矩作用，與此同時(shí)，涵道右側(cè)氣流則向后吹出，可為直升機(jī)前飛提供 推力。表1涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)模型幾何參數(shù)涵道直徑956mm槳葉片數(shù)6涵道長度540mm方向舵弦長200mm風(fēng)扇直徑800mm方向舵展長800mm槳轂直徑180mm方向舵翼型NACA0012涵道體風(fēng)扇舵面變向環(huán)(a)懸停時(shí)變向環(huán)展開2 網(wǎng)格生成和計(jì)算方法圖3變向環(huán)和舵面偏轉(zhuǎn)(b)前飛時(shí)變向

7、環(huán)收起涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的氣動特性十分復(fù)雜，對于涵道風(fēng)扇矢量推進(jìn)系統(tǒng)而言，由于操縱舵面和變向環(huán) 的加入，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。在軸流狀態(tài)，由于各部件的相互作用，舵面和變向環(huán)的偏 轉(zhuǎn)阻塞了風(fēng)扇的尾流，同時(shí)使尾流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而使涵道和整個(gè)系統(tǒng)氣動力隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影 響系統(tǒng)的性能。本文著重研究舵面和變向環(huán)偏轉(zhuǎn)對系統(tǒng)氣動特性影響，因此對槳葉附近很小范圍內(nèi) 流動的細(xì)節(jié)捕捉要求不高， 以便有效降低 CFD計(jì)算量。本文采用在FLUENT軟件中加入動量源 UDF 的方法分析系統(tǒng)的氣動特性。2.1網(wǎng)格劃分為節(jié)省計(jì)算資源，需要使網(wǎng)格在遠(yuǎn)離氣流變化劇烈區(qū)域方向上迅速稀疏下來，因此要對流場網(wǎng)格進(jìn)行分塊處理。圖4給出了通過加動量源代替槳盤的薄圓柱體的網(wǎng)格示 意圖。為了使動量源能合理地分配到網(wǎng)格區(qū) 域中，