基于无人机的涵道风扇设计参数及优化研究

为客户设计的一款涵道无人机已进入交付阶段，该款无人机对风扇桨尖涡和尾流的抑制作用直接影响了涵道风扇组合流场特征，而涵道外形又决定了这种抑制作用的大小。

涵道风扇参数的选择对涵道风扇组合系统的气动性能起着至关重要的作用。而面临多变量优化的问题，采用基于代理模型的优化方法对涵道风扇设计参数进行优化设计，该方法具有成本低、精度高、周期短等优点，因此被广泛应用到工程领域的设计优化方面。

针对涵道风扇设计参数，开展涵道风扇优化设计研究工作。利用专业螺旋桨设计软件CAESES进行螺旋桨的参数化设计，配套isight遗传算法优化软件输入到ANSYS中进行优化计算。

1. 基于动量源的数值模拟方法

通过求解三维不可压 Navier-Stokes 方程组，并引入动量源模型以模拟涵道风扇组合系统对流场的作用。假设不考虑能量的损耗，采用定常黏性不可压流对涵道风扇组合流场进行计算。直角坐标系下描述定常流动的三维方程为：

式中W，F，G，H为无黏通量、、为黏性通量S 为动量源项; t为用于数值计算时的虚拟时间、XYZ 为空间坐标。

采用动量源方法，将风扇桨盘简化为一个薄作用盘，以施加于作用盘的动量源来代替风扇桨盘对流场的作用，求解包含动量源项的三维 N-S 方程，简化了涵道风扇系统诱导作用下的准定常流场。求解离散形式的动量源项，需要建立桨叶与作用盘的对应关系，基于所选翼型升力系数 Cl 和阻力系数 Cd ，求解出作用盘网格单元上的桨叶力dF。以叶素理论建立桨叶气动力模型，由流场迭代求解得出桨盘处的诱导速度，桨叶的主要几何特征在源项的表达中体现。

2. 涵道风扇组合流场网格生成

采用CFD 方法计算涵道风扇气动特性的精确性和计算过

程的收敛速度，主要取决于流场的主控方程的计算格式以及流场计算单元的网格生成质量。同时，网格数量决定了计算速度的快慢。针对网格数量及计算速度这对矛盾体，采取以下策略： 对于研究对象的流场压力梯度、密度等参数变化较大的区域应适当地进行网格加密，其他区域进行去密化处理。

涵道唇口是涵道风扇系统产生拉力的一个重要因素。气流通过涵道唇口时，发生壁面绕流现象，使得唇口部分形成一个低压区，从而产生升力。本节对比了不同涵道唇口半径对涵道风扇组合系统气动特性的影响。图中 CP 代表压力系数，是表征静压相对动压的物理量。可以看出，随着涵 道唇口半径的增加，涵道唇口处的负压区域及大小 均有减小，导致涵道拉力减小。然而，如图4于涵道唇口半径来讲并非越小越好，较小的唇口半径易在唇口区域产生气流分离，从而使得涵道升力不升反降。

涵道扩散口

涵道内壁面对风扇的尾流收缩具有一定的抑制作用，影响了涵道风扇的组合流场，增加涵道扩散角 可以进一步改变涵道风扇系统的气动特性。随着扩散角的增加，风扇拉力略有增加。其原因是 涵道内壁对涵道风扇的尾流具有抑制其收缩的作用，降低流场的轴向速度，轴向速度的降低会导致风 扇桨叶当地迎角的增加，进而升力相应增大。在一定范围内，涵道扩散角越大，对桨叶沿展向的诱导速度分布的影响越大。

3 结论

针对涵道风扇组合系统的气动特性和性能展开了设计研究。对涵道风扇组合流场进行了CFD 建模计算，并对涵道风扇的多个设计参数进行了优化设计。主要结论如下。

（ 1） 通过求解三维不可压Navier-Stokes方程组，并引入动量源模型以模拟涵道风扇升力系统的对流场的作用，建立了基于 CFD 的涵道风扇升力系统组合流场计算模型。

（ 2） 对不同设计参数下的涵道风扇气动特性和性能进行了计算

分析，并对唇口半径、涵道扩散角、桨尖距离涵道内壁的间隙和风扇桨盘中心在涵道的位置等主要设计参数进行了影响分析，明确了各参 数对涵道风扇气动特性的影响规律。

（ 3） 建立有效的涵道风扇升力系统设计参数的优化设计模型，优化结果显示，同等总距下，涵道风扇组合体总拉力得到了有效提高，证明了方案设计的可靠性。

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