基于無(wú)人機(jī)的涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)及優(yōu)化研究

為客戶設(shè)計(jì)的一款涵道無(wú)人機(jī)已進(jìn)入交付階段，該款無(wú)人機(jī)對(duì)風(fēng)扇槳尖渦和尾流的抑制作用直接影響了涵道風(fēng)扇組合流場(chǎng)特征，而涵道外形又決定了這種抑制作用的大小。

涵道風(fēng)扇參數(shù)的選擇對(duì)涵道風(fēng)扇組合系統(tǒng)的氣動(dòng)性能起著至關(guān)重要的作用。而面臨多變量?jī)?yōu)化的問(wèn)題，采用基于代理模型的優(yōu)化方法對(duì)涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法具有成本低、精度高、周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面。

針對(duì)涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)，開(kāi)展涵道風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作。利用專業(yè)螺旋槳設(shè)計(jì)軟件CAESES進(jìn)行螺旋槳的參數(shù)化設(shè)計(jì)，配套isight遺傳算法優(yōu)化軟件輸入到ANSYS中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

1. 基于動(dòng)量源的數(shù)值模擬方法

通過(guò)求解三維不可壓 Navier-Stokes 方程組，并引入動(dòng)量源模型以模擬涵道風(fēng)扇組合系統(tǒng)對(duì)流場(chǎng)的作用。假設(shè)不考慮能量的損耗，采用定常黏性不可壓流對(duì)涵道風(fēng)扇組合流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。直角坐標(biāo)系下描述定常流動(dòng)的三維方程為：

式中W，F(xiàn)，G，H為無(wú)黏通量、、為黏性通量S 為動(dòng)量源項(xiàng); t為用于數(shù)值計(jì)算時(shí)的虛擬時(shí)間、XYZ 為空間坐標(biāo)。

采用動(dòng)量源方法，將風(fēng)扇槳盤簡(jiǎn)化為一個(gè)薄作用盤，以施加于作用盤的動(dòng)量源來(lái)代替風(fēng)扇槳盤對(duì)流場(chǎng)的作用，求解包含動(dòng)量源項(xiàng)的三維 N-S 方程，簡(jiǎn)化了涵道風(fēng)扇系統(tǒng)誘導(dǎo)作用下的準(zhǔn)定常流場(chǎng)。求解離散形式的動(dòng)量源項(xiàng)，需要建立槳葉與作用盤的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于所選翼型升力系數(shù) Cl 和阻力系數(shù) Cd ，求解出作用盤網(wǎng)格單元上的槳葉力dF。以葉素理論建立槳葉氣動(dòng)力模型，由流場(chǎng)迭代求解得出槳盤處的誘導(dǎo)速度，槳葉的主要幾何特征在源項(xiàng)的表達(dá)中體現(xiàn)。

2. 涵道風(fēng)扇組合流場(chǎng)網(wǎng)格生成

采用CFD 方法計(jì)算涵道風(fēng)扇氣動(dòng)特性的精確性和計(jì)算過(guò)

程的收斂速度，主要取決于流場(chǎng)的主控方程的計(jì)算格式以及流場(chǎng)計(jì)算單元的網(wǎng)格生成質(zhì)量。同時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量決定了計(jì)算速度的快慢。針對(duì)網(wǎng)格數(shù)量及計(jì)算速度這對(duì)矛盾體，采取以下策略： 對(duì)于研究對(duì)象的流場(chǎng)壓力梯度、密度等參數(shù)變化較大的區(qū)域應(yīng)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行網(wǎng)格加密，其他區(qū)域進(jìn)行去密化處理。

涵道唇口是涵道風(fēng)扇系統(tǒng)產(chǎn)生拉力的一個(gè)重要因素。氣流通過(guò)涵道唇口時(shí)，發(fā)生壁面繞流現(xiàn)象，使得唇口部分形成一個(gè)低壓區(qū)，從而產(chǎn)生升力。本節(jié)對(duì)比了不同涵道唇口半徑對(duì)涵道風(fēng)扇組合系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響。圖中 CP 代表壓力系數(shù)，是表征靜壓相對(duì)動(dòng)壓的物理量。可以看出，隨著涵 道唇口半徑的增加，涵道唇口處的負(fù)壓區(qū)域及大小 均有減小，導(dǎo)致涵道拉力減小。然而，如圖4于涵道唇口半徑來(lái)講并非越小越好，較小的唇口半徑易在唇口區(qū)域產(chǎn)生氣流分離，從而使得涵道升力不升反降。

涵道擴(kuò)散口

涵道內(nèi)壁面對(duì)風(fēng)扇的尾流收縮具有一定的抑制作用，影響了涵道風(fēng)扇的組合流場(chǎng)，增加涵道擴(kuò)散角 可以進(jìn)一步改變涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的氣動(dòng)特性。隨著擴(kuò)散角的增加，風(fēng)扇拉力略有增加。其原因是 涵道內(nèi)壁對(duì)涵道風(fēng)扇的尾流具有抑制其收縮的作用，降低流場(chǎng)的軸向速度，軸向速度的降低會(huì)導(dǎo)致風(fēng) 扇槳葉當(dāng)?shù)赜堑脑黾樱M(jìn)而升力相應(yīng)增大。在一定范圍內(nèi)，涵道擴(kuò)散角越大，對(duì)槳葉沿展向的誘導(dǎo)速度分布的影響越大。

3 結(jié)論

針對(duì)涵道風(fēng)扇組合系統(tǒng)的氣動(dòng)特性和性能展開(kāi)了設(shè)計(jì)研究。對(duì)涵道風(fēng)扇組合流場(chǎng)進(jìn)行了CFD 建模計(jì)算，并對(duì)涵道風(fēng)扇的多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下。

（ 1） 通過(guò)求解三維不可壓Navier-Stokes方程組，并引入動(dòng)量源模型以模擬涵道風(fēng)扇升力系統(tǒng)的對(duì)流場(chǎng)的作用，建立了基于 CFD 的涵道風(fēng)扇升力系統(tǒng)組合流場(chǎng)計(jì)算模型。

（ 2） 對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的涵道風(fēng)扇氣動(dòng)特性和性能進(jìn)行了計(jì)算

分析，并對(duì)唇口半徑、涵道擴(kuò)散角、槳尖距離涵道內(nèi)壁的間隙和風(fēng)扇槳盤中心在涵道的位置等主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了影響分析，明確了各參 數(shù)對(duì)涵道風(fēng)扇氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。

（ 3） 建立有效的涵道風(fēng)扇升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，優(yōu)化結(jié)果顯示，同等總距下，涵道風(fēng)扇組合體總拉力得到了有效提高，證明了方案設(shè)計(jì)的可靠性。

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