飛行汽車概念設計與氣動特性分析

朱保利， 程磊， 吳恢鵬

（南昌航空大學航空制造工程學院，南昌330063）

飛行汽車概念設計與氣動特性分析

朱保利， 程磊， 吳恢鵬

（南昌航空大學航空制造工程學院，南昌330063）

利用CFD軟件Fluent，根據Spalart-Allmaras模型建立了飛行汽車外流場的三維湍流流動模型。通過數值模擬，得到飛行汽車在不同攻角下的升阻力系數變化規律。研究結果表明，在所選攻角范圍內，隨著攻角的增大，飛行汽車的升阻力系數不斷增大，當攻角達到14°左右時，飛行汽車由于氣流分離而發生失速。Fluent為飛行汽車的氣動特性分析提供了重要依據。

Fluent；飛行汽車；數值模擬；氣動特性

0 引言

1917年，美國飛行汽車之父格·寇蒂斯研制了第一輛飛行汽車，雖然該飛行汽車從未真正飛上天空，但是為人類探索新型的飛行汽車邁出了重要的一步。隨著科學技術的發展和國民經濟水平的提高，汽車已走入千家萬戶，交通擁堵成為一個世界性的難題，飛行汽車為解決這一世界性的難題提供了有效的方法。飛行汽車除了能夠解決城市交通擁堵的問題之外，在很多其他的方面也有廣泛的用途，如火災救援、地震救災、農藥噴灑以及近距離交戰等方面。在隨后的一段時間里，各國出現了許多具有代表性的飛行汽車結構：一是固定翼飛機與汽車的結合體，如美國馬薩諸塞州特拉福嘉公司推出的飛行汽車——“Transition”；二是直升機與汽車的結合體，如美軍的“飛行悍馬”；三是旋翼機與汽車的結合體，如荷蘭推出的旋翼式三輪飛行汽車的概念模型車——“PAL-V”和由西安美聯航空技術有限責任公司負責研發生產的首輛中國飛行汽車；四是動力傘與汽車的結合體，如英國的傘翼車“Sky Car”；五是涵道式可垂直起降的飛行汽車，如以色列飛行汽車“X-Hawk”。進入21世紀，隨著研究的不斷深入，技術的不斷發展，相繼有飛行汽車試飛成功并且已投入量產，如美國馬薩諸塞州沃伯恩 Terrafugia公司開發的可折疊翼飛行汽車——Transition；荷蘭PAL-V Europe公司研發的旋翼飛行汽車——PAL-V One等。

飛行汽車氣動特性的研究屬于空氣動力學與流體力學的范疇，常用的研究方法包括理論分析、實驗研究以及數值模擬等［1］。理論分析方法能夠得出該模型較全面的信息，但是對于研究復雜的、非線性的流動，存在難于求解方程組的問題；實驗研究方法的結果比較真實可信，常用于最后的設計階段，但是由于測量方法的限制，存在難以提取某些局部數據的難題，并且具有實驗時間長、成本高等缺點；數值模擬方法是隨著計算機的出現而逐漸形成的一種方法，它可以大幅度地降低成本，能研究難以進行或不可能進行受控實驗的系統，能研究危險條件下的系統，比實驗研究更自由靈活。因此數值模擬方法廣泛應用于分析流體流動和傳熱等物理現象中，成為一種重要的計算和分析方法。

本文研究的主要內容就是利用數值模擬的方法對新概念飛行汽車的氣動特性進行分析，觀察飛行汽車在不同攻角下升阻力系數的變化規律以及飛行汽車的外圍流場結構，為飛行汽車的氣動特性研究提供一定的理論依據。

1 流體計算模型

1.1 基本理論方程

任何流體計算的運動學規律都是由質量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律來確定的。飛行汽車是低音速飛行，利用CFD方法對飛行汽車進行數值模擬時要考慮到流體的黏性和不可壓縮性，此時的熱交換量很小以至可以忽略，可不考慮能量守恒方程，密度ρ為常數。三維流動的質量守恒方程和動量守恒方程分別為：

式（1）、（2）中，ui為i方向的速度，p為壓強，v為運動黏性系數。

1.2 湍流模型

本數值模擬采用的是非結構化網格，壓力基耦合求解器；入口條件為速度，出口條件設置為壓力，湍流模型為Spalart-Allmaras模型［2］，該模型對壁面邊界具有良好的模擬效果。

2 幾何模型建立

2.1 新概念飛行汽車建模

飛行汽車的車身建模采用現有的某典型汽車模型［3］，在建模的過程中，對車身的幾何模型進行簡化，如車身兩側的設計，車身、后視鏡、輪胎及門把手等零部件等，并以平底面代替飛行汽車車底的真實凹凸形狀。因此，提取出該車身模型的輪廓形狀，經過拉伸生成車身模型。本文選擇相對彎度為4%，相對厚度為12%，最大彎度位置在機翼弦長40%處的高升力翼型NACA4412，確定機翼平面參數，利用三維軟件SolidWorks完成飛行汽車機翼和車身的三維建模，如圖1所示。

圖1 飛行汽車模型

2.2 飛行汽車特點

該飛行汽車最大的特點是實現了垂直起降和固定翼飛行于一體。飛行汽車主要由雙車身、涵道機身、涵道螺旋槳、機翼以及尾翼等部件構成。涵道機身由兩根可旋轉的軸連接在兩車身之間，通過涵道螺旋槳的旋轉驅動產生豎直方向的升力實現飛行汽車的垂直升降，在起飛的過程中，涵道機身緩慢旋轉，螺旋槳產生的推力驅動飛行汽車前進，此時，將左右兩側的機翼以及車后的尾翼逐漸展開，當飛行汽車機翼及其尾翼完全舒展開時，涵道機身的旋轉正好達到90°，得到飛行汽車整體巡航飛行時的狀態，涵道螺旋槳產生水平方向的推力使飛行汽車前進，由兩側的機翼在飛行速度下提供足夠的升力，這樣該飛行汽車就能獲得較好的遠航性能。缺點是在起飛的過程中需要依靠兩車身之間的涵道螺旋槳提供升力和推動力，給飛行汽車的穩定性及操控性帶來一定的難度。

3 網格劃分及流場計算

在對飛行汽車進行流場分析時，對飛行汽車模型進行簡化，暫不考慮尾翼和涵道螺旋槳的影響。為了減少網格質量，在保證收斂性和穩定性的前提下提高計算速度和計算的工作效率，對飛行汽車進行網格劃分時選擇車身機翼半模進行氣動計算。本文以Workbench為平臺，將飛行汽車模型導入，程序基于幾何體的復雜性，自動檢測實體，對可以掃掠的實體采用掃掠方法劃分生成六面體網格，對不能掃掠的實體采用協調分片算法生成四面體網格，最后劃分的飛行汽車外圍網格結果如圖2所示。

圖2 飛行汽車外圍網格

網格文件將會自動導入Fluent中。選擇湍流流動模型Spalart-Allmaras，在Fluent中完成相關求解器和邊界條件的設置，設定進口處的邊界條件為V=50m/s，出口處的邊界條件為壓力邊界條件，即出口處的壓力為零，飛行汽車表面為墻面邊界條件Wall，對稱面為sym。然后設置升阻力系數和殘差監測，初始化之后，即可進行該流場的數值模擬計算。

4 計算結果分析

圖3 飛行汽車對稱面壓力云圖（α=10°）

圖4 飛行汽車機翼截面壓力云圖（α=10°）

圖5 飛行汽車表面壓力云圖（α=10°）

圖3為飛行汽車對稱面壓力云圖，可以看出車身頭部的壓力較大，尾部的壓力較小，形成較大的壓力差，這是飛行汽車主要的阻力來源——壓差阻力，車身上下表面存在一定的壓力差，即車身能夠提供部分升力。圖4為飛行汽車機翼截面處的壓力云圖，可以看出飛行汽車機翼的流場分布受到了車身的干擾，但上下表面存在較大的壓力差，因此機翼能夠提供升力，且是飛行汽車升力的主要來源。圖5為飛行汽車表面壓力云圖，隨著氣流的流過，飛行汽車表面的壓力逐漸增大，根據伯努利定理，可知飛行汽車表面的速度逐漸減小，且在飛行汽車的后面出現了速度分離。

圖6、圖7分別為飛行汽車模型對稱面頭部和尾部的氣流速度矢量圖，從圖中可以看出氣流在汽車頭部由于受到汽車的阻擋而出現了氣流的分離，一部分氣流流向飛行汽車的上表面，另一部分氣流流向底盤部分，且在汽車的頭部出現了局部的低速區，速度幾乎接近為零。氣流流過車身后，上表面的氣流會在汽車后備箱上方出現漩渦，并出現氣流分離，最后上下兩股氣流在汽車的尾部匯合，在汽車尾部產生了兩個局部的尾渦。

圖6 頭部氣流速度矢量云圖（α=10°）

圖7 尾部氣流速度矢量圖（α=10°）

圖8 升阻力系數隨攻角變化曲線

圖8為升阻力系數隨攻角α的變化曲線，在一定的攻角范圍之內，升阻力系數隨著攻角的增大而不斷增大，當攻角達到14°左右時，飛行汽車由于氣流分離而出現失速，導致升力系數下降，而阻力系數繼續增大。飛行汽車的飛行速度較低，阻力的主要來源是壓差阻力和摩擦阻力，因此，阻力系數沒有發生急劇變化，其增大幅度較為緩慢。

5 結語

（1）飛行汽車的升力主要來源于機翼，在飛行過程中，車身也能提供一定的升力，但是該升力較小。

（2）飛行汽車在飛行過程中的阻力主要來源于車身的前后壓力差，機翼也存在一定的阻力，如誘導阻力、壓差阻力等，由于飛行汽車的飛行速度較低，因此還存在著較大的摩擦阻力。

（3）當氣流流過飛行汽車時，會在車身前部出現氣流分離，流經車身后會在尾部匯合，在尾部形成局部的漩渦，出現速度低壓區，其速度大小幾乎為零。

（4）利用CFD方法對飛行汽車進行數值模擬，為研究其空氣動力學特性提供了很好的理論依據。

［1］ 郭江濤，邢存震，譚獻忠.基于Fluent的亞音速翼型氣動特性數值研究［J］.中原工學院學報，2012，23（1）：36-40.

［2］ 許建明，戴騰清，劉金武.基于CFD的轎車外流場數值模擬［J］.西華大學學報，2010，29（6）：46-48.

［3］ 吳軍，鐘志華，谷正氣.汽車外流場湍流模型與菱形新概念車氣動特性研究［D］.長沙：湖南大學，2005.

［4］ 莊知龍，陸宇平，殷明.基于CFD的一種變形翼亞聲速氣動特性仿真分析［J］.飛行力學，2013，31（2）：110-114.

［5］ Sams G D.Conceptual Design and Analysis of Ferrari F430 Flying car［J］.International Journal of Research in Engineering and Technology，2012，1（6）：303-306.

［6］ Akhtarkhan M D，Jams K K.Design of flying car to articulate foreign object with Short Range Radar and Laser Gun［J］. International Journal of Scientist&Engineering Research，2013，4（7）：1677-1680.

［7］ Saeed B，Gratton G B.An evaluation of the historical issues associated with achieving non-helicopter V/STOL capability and the search for the flying car［J］.Aero，2010，114（1152）：91-102.

（編輯畢 勝）

Conceptual Design and Aerodynamic Characteristics Analysis of Flying Car Based on CFD

ZHU Baoli，CHENG Lei，WU Huipeng
（School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

The modeling three dimensionalturbulence model of flying car according to Spalart Allmaras is established by using the CFD software Fluent.The lift and drag coefficient variation characteristics in the different angle of attack will be obtained by numerical simulation.The results show that within the selected scope of attack angle,the lift and drag coefficient of flying car are increased gradually with the increasing of angle of attack,the flying car will be stalled due to flow separation when the angle of attack is at about 14 degree.The CFD software Fluent provides the important basis for the aerodynamic characteristics analysis of flying car.

Fluent；flying car；numerical simulation；aerodynamic characteristics

V 211.41

A

1002－2333（2014）05－0087－03

朱保利（1964—），男，副教授，博士，主要從事機械設計及理論研究。

2014-01-13

航空科學基金（HF201003088）