纵列式双扇翼气动特性数值模拟与试验

杜思亮，唐正飞，赵文静，陈荟，王英宇

(1.淮阴工学院机械与材料工程学院，淮安223003;

2.南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京210016)

扇翼飞行器［1］一般是指由扇翼、机身、尾翼、起落装置、操纵系统和动力装置6部分组成的航空器，其中扇翼是飞行器升力和推力的来源。扇翼类似于固定翼的机翼概念，但与普通机翼有本质区别。普通机翼仅能产生升力，而扇翼既能产生升力又能产生推力。本文所研究的扇翼指的是将横流风扇安装在机翼前缘弧形槽内，沿机翼展向布置，通过横流风扇的旋转，加速来流，从而在横流风扇内部产生涡流运动，在机翼上形成升力和分布式推进力。

国外的一些研究机构和学者对扇翼的气动特性进行了基本的理论分析和试验研究，证明了扇翼的高升力系数、高功率载荷以及大迎角不失速等特性［2-6］。笔者课题组是中国较早研究扇翼的团队，也是扇翼飞行器演示验证重大探索项目的实施团队，对扇翼飞行器的气动［7-10］、结构［11-13］和控制［14-15］等相关课题进行了全面深入地探索。

上述研究均是对单个扇翼进行的，参照串列式机翼飞机［16］和纵列式双旋翼直升机［17］的特性，考虑扇翼飞行器的低速大载荷特性，再根据横流风扇能够主动加速来流，并对来流进行再加速和重新整流的特点，提出了一种使用2个扇翼并进行前后布置的方案，以充分发展扇翼的气动优势。使用前后扇翼布局的飞行器，称之为纵列式双扇翼飞行器。这种飞行器可以实现垂直或者超短距起降的大载荷飞行能力，满足特定场景下对这种低速大载荷飞行器的需求。本文首先开展了对纵列式双扇翼不同前后间距、不同高度差和不同安装角下的气动特性数值模拟计算。然后为了验证数值模拟方法的准确性，也为了证实纵列式双扇翼确实相比单个扇翼更具气动优势，设计制作了风洞试验的纵列式双扇翼模型以及试验台架。最后对数值计算结果与试验结果进行了对比分析。

1 扇翼计算模型与计算方法

1.1 扇翼计算模型

纵列式双扇翼布局如图1所示，扇翼沿机翼展向横截面的几何尺寸没有变化，故可将扇翼的三维模型简化为二维模型。本文定义单个扇翼模型的总体尺寸参数(见图2和表1)和叶片尺寸参数(见图3和表2)。前后扇翼的尺寸参数一致。定义扇翼升力L方向与来流方向垂直，推力T方向与来流方向水平，翼型下表面与来流方向的夹角为迎角。

图1 纵列式双扇翼布局Fig.1 Tandem fan wing layout

图2 扇翼截面几何尺寸定义Fig.2 Geometry definition of fan wing section

表1 扇翼几何尺寸参数Table 1 Geometric parameters of fan wing

1.2 扇翼计算方法

图3 横流风扇叶片几何尺寸定义Fig.3 Geometry definition of cross flow fan blade

表2 横流风扇叶片参数Table 2 Cross flow fan blade parameters

本文扇翼横流风扇的最大转速为2 000 r/min，计算得出横流风扇叶尖旋转速度小于0.3Ma，故在数值计算中，可不考虑气流的可压缩性。扇翼与周围气流的作用形式为:一部分来流被扇翼中的横流风扇吸入并形成涡流运动，另一部分来流被横流风扇加速并从翼型后缘斜面射出。因此扇翼周围的整个流场处于非定常状态，需要考虑雷诺数影响，设定雷诺数为5.927×105。在 FLUENT求解器中，本文使用 Navier-Stokes方程为主控方程，选用的湍流模型为RNG(Renormalization-Group)，压力与速度耦合采用的是SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法，对流项采用2阶迎风格式进行离散，整个流场以混合网格的有限体积法进行计算，翼型壁面采用无滑移边界条件，网格划分方法与文献［13］一致，分别建立纵列式双扇翼不同前后间距、不同高度差和不同安装角的数值计算模型。

1.3 算例验证

为了验证本文采用数值模拟方法的准确性，采用文献［11］扇翼风洞试验结果进行算例验证。对比验证来流速度为10 m/s、迎角为0°、横流风扇转速n为400～1200r/min时，单个扇翼升力系数和推力系数值。图4为不同转速下的扇翼升力系数CL和推力系数CT的试验结果与数值计算结果对比。从图中可以看出，随着横流风扇转速增加，数值升力系数和推力系数也在逐渐增加，数值计算结果与试验结果趋势吻合较好，最大误差在10%以内。因此本文的数值模拟方法可以用来分析扇翼的气动特性。

图4 升力系数与推力系数随横流风扇转速变化Fig.4 Change of lift coefficient and thrust coefficient with cross flow fan speed

图6 纵列式双扇翼气动力随前后扇翼间距变化Fig.6 Change of aerodynamic force of tandem fan wing with distance between front and rear fan wings

2 计算结果与分析

2.1 气动特性与前后扇翼间距的关系

不同间距下的纵列式双扇翼模型定义示意图如图5所示，分别计算前后扇翼间距d为500、600、700、800、900 和 1000 mm 6 个状态下的气动力，其中前后扇翼的高度差为0，安装角为0°。

图6为前后扇翼升力和推力随前后扇翼间距的变化曲线。由图6(a)可以看出，间距小于700 mm时，前后扇翼的升力均随着间距的增大而增大;大于700 mm后，间距的变化对前后扇翼升力的影响较弱，升力趋于稳定。此外，从图6(a)中还可以看出，前扇翼的升力始终大于后扇翼，而后扇翼的升力相较单个扇翼升力增加较少，随着间距的增大，又逐渐有所提高。可能由于间距较小时还没有单个扇翼的升力大。整体而言，纵列式双扇翼的前后平均气动增升效果要好于单个扇翼，增升了约27%。由图6(b)可以看出，纵列式双扇翼在大间距时产生的推力相较单个扇翼的增加值很小，仅在间距最小时有优势，增加了约51%。

图5 纵列式双扇翼前后扇翼间距定义示意图Fig.5 Schematic of definition of distance between front and rear fan wings of tandem fan wing

为了进一步说明纵列式双扇翼气动增升的原理，绘制了图7不同前后扇翼间距的流速流线图。从图中可以看出，由于前后扇翼气流的相互影响，扇翼内部的低压涡强度和位置也不相同。由图7(a)～(f)可以看出，当间距较小时，经前扇翼加速后的气流大部分流入后扇翼中，经后扇翼横流风扇进一步加速，从后扇翼流出的气流流速总是比前扇翼大。间距大于等于700mm时，后扇翼对前扇翼来流的加速作用减小，大部分气流没有被后扇翼加速，进入后扇翼的气流流量减小，故后排扇翼的升力始终小于前排扇翼。

扇翼产生的推力来源于横流风扇的旋转对气流的加速作用。当间距较小时，从前扇翼流出的气流都进入了后扇翼，横流风扇单位时间加速气流的流量增大，根据牛顿第三定律，横流风扇叶片受到的反作用力越大，间距较小时的后扇翼推力越大。间距增加为700 mm时，前扇翼的推力最后扇翼对前扇翼后缘斜面气流的影响，而后缘斜面气流流速的快慢，直接影响扇翼推力的大小。

图7 纵列式双扇翼前后扇翼间距变化时的速度云图和流线图Fig.7 Velocity contours and streamlines when distance between front and rear fan wings of tandem fan wing changes

2.2 气动特性与前后扇翼高度的关系

不同高度下的纵列式双扇翼模型定义如图8所示，定义纵列式双扇翼的前扇翼可移动，分别计算前后扇翼高度差h与2R的关系为h/(2R)=－1、－0.5、0、0.5、1 五个状态下的气动力，其中前后扇翼的间距固定为d=800 mm，安装角为0°。

图8 纵列式双扇翼前后扇翼高度差定义示意图Fig.8 Schematic of definition of height difference between front and rear fan wings of tandem fan wing

图9 为前后扇翼升力和推力随前后扇翼高度的变化曲线。可以发现，前扇翼相对高于后扇翼时，对整体气动增升有优势，前扇翼的增升效果明显，而对后扇翼的升力影响不大。其中h/(2R)=0时的气动增升效果最明显。前后扇翼高度差的变化对整体的推力影响不是很大，前后扇翼推力呈现此消彼长的趋势。图10为不同前后扇翼高度的流速流线图，可以看出h/(2R)＞0时，经前扇翼加速的气流从其后缘斜面，正好流入后扇翼旋转的横流风扇中，流线比较平滑。h/(2R)=0.5时的前扇翼升力较小，这是由于后扇翼对前扇翼下表面气流流速的加速作用，导致前扇翼上下表面的压强差减小，故而升力减小。

2.3 气动特性与前后扇翼安装角的关系

不同前后扇翼安装角下的纵列式双扇翼模型定义如图11所示，前后扇翼的间距d=800 mm，前后扇翼的高度差h/(2R)=0。首先，分别计算后扇翼安装角 αb为 －20°、－10°、0°、10°和 20°状态下的气动力，其中前扇翼安装角不变αf=0°;然后，计算前扇翼安装角 αf为 －20°、－10°、0°、10°和20°状态下的气动力，其中后扇翼安装角不变αb=0°;再计算前后扇翼安装角随动，即αf=αb时状态下的气动力;最后，计算前后扇翼安装角差动，即αf=－αb时状态下的气动力。

2.3.1 前扇翼安装角不变

图9 纵列式双扇翼气动力随前后扇翼高度变化Fig.9 Change of aerodynamic force of tandem fan wing with height of front and rear fan wings

图10 纵列式双扇翼前后扇翼高度变化时的速度云图和流线图Fig.10 Velocity contours and streamlines when height of front and rear fan wings of tandem fan wing changes

图11 纵列式双扇翼前后扇翼安装角定义示意图Fig.11 Schematic of definition of installation angle between front and rear wings of tandem fan wing

图12 为前扇翼安装角固定时，前后扇翼的升力和推力变化。从图12(a)可以看出，随着后扇翼安装角的增大，前扇翼和后扇翼的升力都增大。后扇翼对前扇翼的升力影响较大，相对前扇翼升力增加了20%左右(αb=20°)，后扇翼的升力增加值在αb≥0°时变化不大。由前后扇翼升力的平均值，可以看出平均升力一直在增大，整体气动增升效果较好。从图12(b)可以看出，推力的平均值变化趋势也不是很大，前后扇翼的推力呈现此消彼长的态势。图13为前扇翼安装角固定时前后扇翼的速度云图和流线图。从图中可以看出，当αb＜0°时，前扇翼的后缘斜面气流经后扇翼下表面以S型路径流动;αb＞0°时，基本沿着后缘斜面气流方向，说明此时后扇翼对前扇翼的整流效果好。

2.3.2 后扇翼安装角不变

图14为后扇翼安装角固定时，前后扇翼的升力和推力变化。从图14(a)可以看出，当前扇翼安装角αf＞0°时，前扇翼和后扇翼的升力都趋于稳定，αf= －20°～ －10°，后扇翼升力要小于前扇翼升力。图15为后扇翼安装角固定时前后扇翼的速度云图和流线图。从图中可以看出，此时经前扇翼的加速气流正好流入后扇翼中，后扇翼对前扇翼的气流有吸入作用，增大了前扇翼后缘机翼表面的气流流速，使得相对压强降低，总体表现为前扇翼升力增大。通过前后扇翼升力的平均值，可以看出平均升力的变化不大，前扇翼安装角 的变化对整体气动增升效果的改善不明显。从图14(b)可以看出，推力平均值变化趋势随着前安装角的增大而减小，由图15可以看出，随着安装角增大，前扇翼后方的气流流线方向受后扇翼气流的扰动，流入后扇翼的气流流量减小，后扇翼的推力一直减小。

图12 前扇翼安装角固定时前后扇翼的升力和推力曲线(αf=0)Fig.12 Curves of lift and thrust of front and rear fan wings when installation angle of front fan wing is fixed(αf=0)

图13 前扇翼安装角固定时前后扇翼的速度云图和流线图Fig.13 Velocity contours and streamlines of front and rear fan wings when installation angle of front fan wing is fixed

图14 后扇翼安装角固定时前后扇翼的升力和推力曲线(αb=0)Fig.14 Curves of lift and thrust of front and rear fan wings when installation angle of rear fan wing is fixed(αb=0)

图15 后扇翼安装角固定时前后扇翼的速度云图和流线图Fig.15 Velocity contours and streamlines of front and rear fan wings when installation angle of rear fan wing is fixed

2.3.3 前后扇翼安装角随动

图16为前后扇翼安装角同时同向变化时，前后扇翼的升力和推力变化。从图16(a)可以看出，当αf=αb＜0°时，气动增升效果随着安装角的增加而增大;当αf=αb＞0°时，增升效果随安装角的变化不是特别明显。由图16(b)可以看出，前后扇翼的平均推力基本不变，说明前后扇翼安装角变化对推力的影响不大。图17为前后扇翼安装角随动时前后扇翼的速度云图和流线图。从图中可以看出，在前后扇翼安装角较大时，没有发生流线分离，说明纵列式双扇翼也具有大迎角不失速的气动特性。

图16 前后扇翼安装角随动时前后扇翼的升力和推力曲线Fig.16 Curves of lift and thrust of front and rear fan wings when front and rear fan wings have the same installation angle

2.3.4 前后扇翼安装角差动

图18为以前扇翼为基准，前后扇翼安装角同时不同向变化时，前后扇翼的升力和推力变化。由图18(a)可知，当 －20°＜ αf＜ －10°时，后扇翼升力有小于前扇翼，通过前后扇翼升力的平均值，可以看出平均升力的变化在逐渐减小。由图18(b)可知，扇翼推力的变化依然是此消彼长的情况，平均推力值的变化不大。图19为前后扇翼安装角差动时前后扇翼速度云图和流线图。从图中可以看出，当αf=－αb＜0°时，后扇翼能够获得经前扇翼加速过的气流，此时前后扇翼的升力和推力变化不是特别大;当αf=－αb＞0°时，经前扇翼加速后的气流不能很好地被后扇翼利用，升力和推力随安装角的变化波动较大。

图17 前后扇翼安装角随动时前后扇翼的速度云图和流线图Fig.17 Velocity contours and streamlines of front and rear fan wings when front and rear fan wings have the same installation angle

图18 前后扇翼安装角差动时前后扇翼的升力和推力曲线Fig.18 Curves of lift and thrust of front and rear fan wings when front and rear fan wings have opposite installation angle

图19 前后扇翼安装角差动时前后扇翼的速度云图和流线图Fig.19 Velocity contours and streamlines of front and rear fan wings when front and rear fan wings have opposite installation angle

3 试验验证

3.1 试验台和风洞

为了验证本文数值计算结果的准确性，制作了纵列式双扇翼的风洞试验模型，并在南京航空航天大学的低速开口回流式风洞(见图20)进行了初步的试验验证。试验风洞的基本参数如表3所示，单个扇翼试验模型如图21所示，风洞试验模型尺寸与数值计算模型的尺寸一致。用于测量纵列式双扇翼的试验台架置于风洞相对位置如图22所示。

图20 低速开口回流式风洞Fig.20 Low-speed open reverse-flow wind tunnel

表3 试验风洞参数Table 3 Parameters of test wind tunnel

图21 单个扇翼试验模型Fig.21 Test model of single fan wing

图22 纵列式双扇翼试验模型在风洞位置Fig.22 Location map of tandem wing fan test model in wind tunnel

3.2 试验结果与计算结果对比

图23 ～图25分别为前扇翼安装角不变、后扇翼安装角不变和前后扇翼安装角随动这3组状态时前后扇翼升力和推力随安装角变化的数值计算结果与试验结果的对比。从图中可以发现，部分结果虽有偏差，但总体变化趋势是一致的。图中大部分计算结果与试验结果的相对误差小于10%，说明本文数值模拟方法是可信的，可以将该方法应用于纵列式双扇翼气动特性更多状态点分析中。

图23 前扇翼安装角不变时数值计算结果与试验结果对比(αf=0)Fig.23 Comparison between numerical calculation results and test results when installation angle of front fan wing is fixed(αf=0)

图24 后扇翼安装角不变时数值计算结果与试验结果对比(αb=0)Fig.24 Comparison between numerical calculation results and test results when installation angle of rear fan wing is fixed(αb=0)

图25 前后扇翼安装角随动时数值计算结果与试验结果对比Fig.25 Comparison between numerical calculation results and test results when front and rear fan wings have the same installation angle

4 结论

1)纵列式双扇翼前后扇翼间距大于600 mm和前扇翼相对高于后扇翼时，对整体的气动增升有优势，而对推力增加量的影响较小。

2)前扇翼安装角为0°，后扇翼安装角变化对纵列双扇翼升力的增加影响较大，后扇翼安装角越大，增加的升力值越大，而推力逐渐减小;后扇翼安装角为0°，前扇翼安装角变化对纵列式双扇翼的升力值影响较小，前扇翼安装角越大，升力值几乎没有增加，而推力减小。

3)前后扇翼安装角同时同向变化时对升力的影响较大，对推力的影响不明显，安装角越大，升力值越大，推力的平均值变化不大;前后扇翼安装角同时不同向变化时，对升力和推力的影响不明显，安装角越大，升力值不增反减，推力的平均值变化不大。

本文纵列式双扇翼的最佳安装间距为700～900 mm，最佳前后扇翼高度差为0，最佳前扇翼安装角为0°，最佳后扇翼安装角为20°时，可以获得最佳的气动优势。

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