涵道式飞行汽车新型结构的气动性能数值模拟

罗佳俊， 蒋 丹

(上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 200240)

涵道式飞行汽车新型结构的气动性能数值模拟

罗佳俊， 蒋 丹

(上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 200240)

在研究国内外飞行汽车优势与局限性的前提下，结合共轴反转双旋翼直升机升力大、续航中等以及多旋翼飞行器控制精度高的特点，通过目标设定、方案罗列、理论分析等步骤，提出一种区域适应性更强的涵道式飞行汽车新结构.与两种现有飞行汽车结构进行对比，探讨涵道式飞行汽车的结构及气动性能特点.气动性能数值模拟结果表明该飞行汽车结构值得继续研发与尝试.

涵道式飞行汽车； 结构特点； 气动性能； 数值模拟

随着中国汽车保有量的逐年提高，交通拥堵的“城市病”日趋严重.如今的汽车产业规模与交通现状，恐怕在20年前是大多数人难以想象的.同样地，20年后的交通情况，也很有可能与今天大相径庭.1995年，中国汽车保有量为1 040万辆[1]，2015年，汽车保有量为17 200万辆，20年间翻了大约16.5倍，汽车基本达到普及状态.2015年，中国私人飞机大约有1 000 架，全球有31万架.飞机制造商庞巴迪公司预计，到2020年，中国有经济实力购置私人飞机的潜在客户会达到30万人[2].很难说20年后，中国的天空中是否会飞满私人飞机，就像现在地面交通中的汽车一样.

另一方面，中国城市公路里程从2005年的3.345×106km增加到2011年的4.106×106km，年均仅增长3.79%，这对同时间段内年均49.41%增长的私人汽车来说过于缓慢[3]，这就导致了上下班时间的城市交通拥堵.倘若制造一种像飞行汽车一样的新型交通工具，将城市上空这一闲置维度建立为新的交通网络，既不需要大规模改变现有的道路设施，还能分担城市交通压力，对城市本身及市民都有利.

考虑到私人飞机的体积依然较大，而中国城市人口密度较大且短期内难以下降，同时建造私人机库和跑道的可能性不高，一种飞机与汽车的结合产品可能会应运而生，其既能满足大众的出行需求，又符合中国的实际国情.实际上飞行汽车的概念早已出现，也有近百年的研发历史.本文提出一种涵道式垂直起降飞行汽车的新型结构，并对其气动性能进行数值模拟讨论.

1 国内外飞行汽车研发现状

从1906年Trajan Vuia在法国首都巴黎测试首辆飞行汽车开始，美国、中国等许多国家都对飞行汽车的研发进行了许多尝试.随着科技水平的迅猛发展，世界各地涌现出了一批具有代表性的飞行汽车，如美国的Transition、斯洛伐克的AeroMobil、荷兰的Pal-V One、以色列的X-Hawk等.

本文选取几个具有代表性的飞行汽车类型(如表1所示)进行对比分析.一般来说，固定翼型在续航方面有极大优势，飞行速度较快，局性限在于起飞与降落需要跑道，不能悬停，且在空中转弯半径较大；自旋翼型续航中等，局限性在于需要起降跑道，不能悬停；直升机型能够垂直起降与悬停，续航持久，局限性在于翼展较大；多旋翼型可垂直起降与空中悬停，控制精度高，翼展较小，局限性在于续航较短.

表1 飞行汽车现有类型比较

2 新型结构设计目标及理论分析

2.1设计目标

基于表1中各类型飞行汽车的优势与局性限，新结构设计目标如下：

(1) 能够垂直起降与悬停；

(2) 飞行状态的长宽尺寸均控制在5 m内；

(3) 飞行速度达到100 km/h以上；

(4) 续航在2 h以上；

(5) 可承载2人.

2.2方案选择

根据国内外公布的飞行器数据可知，能够垂直起降与空中悬停的飞行器有如下7种常见设计方案[4].

(1) 单旋翼方案；

(2) 共轴反转双旋翼方案；

(3) 纵列式双旋翼方案；

(4) 涵道式旋翼方案；

(5) 桨尖喷气旋翼方案；

(6) 喷气式垂直起降方案；

(7) 倾转旋翼式方案.

方案(2)和(4)的飞行器具有结构紧凑、旋翼直径小、安全性高、悬停效率高等优点，且其相对复杂的结构与功率需求的问题在理论上可以得到解决，不会影响设计目标的实现.

因此，飞行汽车新结构将主要参考共轴反转双旋翼与涵道式旋翼的特点.

2.3理论分析

飞行汽车气动部件主要包括车身与旋翼.由于车身和旋翼是彼此影响的，把两者结合起来分析有助于计算过程的简化.

飞行汽车气动部件受力分析示意图如图1所示，主要包括旋翼升力FT、横向力FN、重力G、空气阻力f等.

图1 受力分析示意图Fig.1 Force analysis diagram

2.3.1 旋翼升力

今后，扬州市应继续围绕农业农村部提出的“一控两减三基本”的要求，认真贯彻落实习近平生态文明思想和全国、全省生态环境保护大会的精神，进一步落实生态环保责任，更好地推进农业废弃物的资源化利用，力争做到“组织力度更强、推进步伐更快、技术支撑更大、服务指导更优”，推动农业面源污染防治和生态循环农业的深入开展，促进全市农业经济增长方式转变和农业可持续发展。

旋翼的升力FT沿着旋翼轴线方向，计算公式如式(1)所示.

(1)

式中：ρ为空气密度；R为旋翼半径；Ω为旋翼转速；CT为旋翼升力系数，可由风洞试验得出，为入流比与迎角的函数[5]，如图2所示.

图2 不同迎角下，旋翼升力系数CT与入流比的对应关系Fig.2 Correspondence between rotor lift coefficient CT and inflow ratio at different angle of attack

由图2可知，在同一迎角下，旋翼的升力系数与入流比呈线性关系，不同迎角时的线性函数斜率不同，因此，旋翼升力系数计算公式如式(2)所示.

CT=CT0+(J-J0)(CTJ， α=90+CTJ, cos αcosα)

(2)

2.3.2 旋翼横向力

旋翼的横向力与旋翼轴线垂直，计算公式如式(3)所示.

(3)

式中：CN为旋翼横向力系数，CN与旋翼升力系数有相似的特性，因此旋翼的横向力系数计算公式如式(4)所示.

CN=(J-J0)·CNJ, sin αsinα

(4)

式中：CNJ, sin α为向前飞行时旋翼的横向力相对于入流比的斜率，CNJ, sin α=0.057.旋翼横向力系数CN[5]

如图3所示.

图3 不同迎角下，旋翼横向力系数CN与入流比的对应关系Fig.3 Correspondence between rotor normal force coefficient CN and inflow ratio at different angle of attack

2.3.3 飞行汽车重力

飞行汽车所受重力的计算公式如式(5)所示.

G=m·g

(5)

式中：m为飞行汽车质量；g为重力加速度.

2.3.4 空气阻力

飞行汽车所受空气阻力与车身形状、速度等多因素有关，计算公式如式(6)所示.

(6)

式中：Cd为空气阻力系数;S为飞行汽车迎风面积；V为飞行汽车与空气的相对运动速度.

2.3.5 计算论证

根据部分飞行汽车与电动车质量(如表2所示)，考虑将飞行汽车载人时的起飞质量设定为1 000 kg.共轴反转旋翼桨盘直径为5 m.由于旋翼桨尖速度不能超过声速340 m/s，并且旋转线速度需叠加100 km/h以上的飞行速度，所以直径5 m的旋翼桨盘理论上比较适合的额定转速为1 000 r/min.

经过计算，共轴反转双旋翼可提供升力FT=12 217.3 N，该升力大于10 000 N的重力，初步说明方案可行，能够实现垂直起降.

进一步考虑到目前飞行汽车结构尺寸依然稍大，在共轴反转双旋翼下再搭载车体结构则会使整体高度过高.倘若将旋翼放置在整体结构的大涵道内，不仅能够降低高度，略微增加整体升力，还能极大程度上减少外置旋翼在旋转时给周围人造成的不安全因素.同时，考虑到共轴反转双旋翼直升机样式的中等续航性与多旋翼飞行器的精确控制性，可采用顶部一对较大的共轴反转旋翼与底部4个小旋翼相结合的形式，既能够保持总升力变化不大，也可缩小整体尺寸.

表2 部分飞行汽车与电动车质量

调整过的新结构侧面剖视图如图4所示，俯视图及仰视图如图5所示.

图4 新结构侧面剖视图Fig.4 The section view of new structure

(a) 俯视图 (b) 仰视图

由于旋翼等整体尺寸做了较多修改，再次计算可得，共轴反转双旋翼直径为2.3 m，适合的额定转速为2 000 r/min，底部四旋翼直径为1.2 m，适合的额定转速为4 000 r/min，此时机构整体可提供升力FT=11 168.1 N，仍大于10 000 N的重力，说明新结构设计具有一定可行性.

2.4形状比较分析

本文将飞行汽车新结构与2种传统结构(如图6和7所示)进行比较分析，结果如表3所示.2个模型数据均参考相关著作文献与维基百科，并基于控制变量的思想，做了略微调整.

图6 类似邹汝红等设计的结构Fig.6 Structure which is similar to Zou Ruhong design

图7 类似Pal-V One的结构Fig.7 Structure which is similar to Pal-V One

比较项目 新结构类似邹汝红等设计的结构[6]类似Pal⁃VOne的结构尺寸(长×宽×高)/m34．1×4．1×3．15．2×1．8×1．77．2×2．1×2．8旋翼半径/m1．15和0．580．582．45旋翼弦长/m0．19和0．090．090．25旋翼总体积/m30．050．010．06乘客空间/m34．222．642．82储能空间/m30．320．080．11

由表3可以看出，新结构由于采用回转体设计，整体长度较小，宽度较大，稍大的体积可实现最大的乘客空间与储能空间.这在设计上既能给乘客带来更舒适的乘坐体验，也能给飞行汽车带来更长的续航能力.

3 新结构气动性能数值模拟

3.1旋翼旋转时系统升力

本文运用ANSYS Workbench进行流固耦合仿真，其中CFD(computational fluid dynamics)计算采用CFX.数值模拟基本参数：远域范围是半径为20 m和高度为30 m的圆柱，入口风速为30 m/s.数值模拟预处理如图8所示.这里分别对表3中的3种结构进行额定转速1 000～4 000 r/min的系统升力数值模拟，结果如表4所示.

图8 数值模拟预处理Fig.8 The numerical simulation pretreatment

转速/(r·min-1)系统升力/N新结构类似邹汝红等设计的结构类似Pal⁃VOne的结构10002581652059020001017050030002197111774000392512124

在3种结构体积相差不大，质量都在1 000 kg左右的情况下，由表4可以看到，类似邹汝红等设计的结构系统升力较小，且模拟数值符合文献[6]中的研究结果，预计在改变结构为双涵道四旋翼结构后，在额定转速7 000 r/min时升力将超过10 000 N.类似Pal-V One结构的系统升力较大，且符合普通直升机转速在1 000 r/min左右的实际情况.

飞行汽车新结构是结合共轴双旋翼直升机与四旋翼的设计，所以其升力在2种传统结构之间是合理的，同时运用理论计算公式可得新结构在转速1 000～4 000 r/min间的升力约为2 645～38 519 N，与数值模拟误差较小.

转速为2 000 r/min时新结构的中心截面压力云图和速度矢量图如图9所示.

(a) 压力云图

(b) 速度矢量图

由图9(a)可以看出，旋翼上下面产生了较大压力差.由图9(b)可以看出，车身主体涵道的内外风速差异较大，涵道内的旋翼旋转对外部影响较小.

3.2车体侧面抗风情况

飞行汽车在空中飞行时，往往会受到各方向的风，且风速比地面高.因此，本文研究了3种结构侧面受到30 m/s风时的抗风情况.其中，侧面最大压强数据如表5所示，侧面压力云图如图10所示.

表5 3种结构侧面最大压强比较

(a) 新结构

(b) 类似邹汝红等设计的结构

(c) 类似Pal-V One的结构

由表5和图10可以看到，当速度为30 m/s的风吹到3种结构侧面时，其最大压强相差不大，但新结构由于其回转体结构，能够较好地削弱风力所带来的影响，减小最大压强的面积，这也可以认为是新结构的优势之一.

4 结 语

本文结合共轴反转双旋翼直升机升力大、续航中等以及多旋翼飞行器控制精度高的特点，提出一种区域适应性更强的新结构飞行汽车，能够垂直起降与空中悬停.相比其他传统结构，该飞行汽车能够提供更大的乘客空间与储能空间.在数值模拟中，新结构飞行汽车能够产生有效且合理的升力，同时，新结构的额定转速比国内传统结构的6 000～7 000 r/min要更易实现，在车体侧面抗风性能上也具有一定优势.因此，可以认为此涵道式飞行汽车新结构值得继续研发与尝试.

[1] 孙璐，郁烨，顾文钧.基于PCA和HMM的汽车保有量预测方法[J].交通运输工程学报，2013，13(2)：92-98.

[2] 苹果.私人飞机在中国[J].齐鲁周刊，2015(3)：54-55.

[3] 王拖连，杨世文，薛姣，等.陆空两用飞行汽车发展现状与展望[J].公路与汽运，2011(4)：12-16.

[4] 张鹏.自转旋翼陆空车辆的性能仿真[D].北京：北京理工大学机械与车辆学院，2015.

[5] 谢建国.新型涵道无人飞行器飞行控制策略研究[D].南京：南京航空航天大学自动化学院，2013.

[6] 邹汝红.涵道式垂直起降飞行器气动特性的CFD分析[D].湘潭：湘潭大学土木工程与力学学院，2015.

(责任编辑：杨静)

AerodynamicPerformanceNumericalSimulationofaNewTypeDuctedFlyingCarStructure

LUOJiajun，JIANGDan

(School of Mechanical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China)

With the analysis of the advantages and limitations of the foreign and domestic flying car， a new type ducted flying car structure with greater regional adaptability is proposed, which is combined with the characteristics of helicopter’s large lift， medium endurance and multi-rotor aircraft’s high precision control. The design process includes goal setting， plan list， theoretical analysis and so on.Compared with two existing structures， the structure and aerodynamic performance characteristics of the new type ducted flying car are discussed.By numerical simulation， it comes to the conclusion that the new structure is worthy of further research and development.

ducted flying car； structure characteristics； aerodynamic performance； numerical simulation

U 462

A

1671-0444 (2017)04-0484-06

2016-12-15

航空科学基金资助项目(2014ZB57)

罗佳俊(1990—)，男，上海人，硕士研究生，研究方向为飞行汽车设计.E-mail：ljj090431@163.com

蒋 丹(联系人)，女，教授，E-mail：jiangdan@sjtu.edu.cn