涵道螺旋槳氣動特性數值模擬研究

涵道螺旋槳憑借其性能優勢，在垂直起降類無人機系統中得到了廣泛應用，本文主要對涵道螺旋槳在懸停狀態和斜流狀態下的氣動特性進行了計算和分析，然后將其數值計算結果與孤立螺旋槳的數值計算結果進行對比。同時通過對其流場和氣動載荷數據的觀察、分析和對比，研究涵道螺旋槳的增升機理以及涵道和螺旋槳氣動載荷的分配關系。

幾何模型

本文數值計算所用的涵道螺旋槳如圖1所示。其中，槳尖間隙為螺旋槳半徑的 2.8% ，螺旋槳中心距離涵道入口平面的距離為螺旋槳半徑的 45.6% =這兩個參數基本上就確定了螺旋槳與涵道的相對位置。

網格的劃分

計算所使用的網格為三棱柱和四面體構成的混合網格，網格數量為430萬。整體和剖面網格劃分情況如圖2所示。

懸停狀態數值計算結果分析

對涵道螺旋槳在轉速為2000rpm、3000rpm、4000rpm、5000rpm及6000rpm的懸停狀態下的拉力、功率以及功率載荷進行了數值計算，得出了上述參數隨轉速的變化曲線和不同轉速下涵道螺旋槳的流場形態，同時將其數值計算結果與相同狀態下的孤立螺旋槳相關系數進行了對比，分析涵道螺旋槳在懸停狀態下相比孤立螺旋槳所具有的優勢。

圖3～圖5分別為懸停狀態下涵道螺旋槳和孤立螺旋槳的拉力、功率及功率載荷隨轉速的變化對比圖。這些曲線均是通過對數值計算所得出的數據進行擬合而得到的。通過對涵道螺旋槳的數值計算結果進行擬合可以發現：其拉力與轉速成二次方的關系；功率與轉速成三次方的關系；功率載荷與轉速成反比關系。同時通過對比發現：相同轉速下，涵道螺旋槳所產生的拉力大于孤立螺旋槳，但是其所消耗的功率幾乎相等，從而最終決定了涵道螺旋槳的功率載荷大于孤立螺旋槳，這也就說明，二者在消耗相同功率的情況下，涵道螺旋槳所產生的拉力大于孤立螺旋槳。

圖6為涵道螺旋槳中的螺旋槳和孤立螺旋槳拉力隨轉速變化的對比圖，從圖中可以看出：相同轉速下，涵道螺旋槳系統中螺旋槳所產生的拉力小于孤立螺旋槳，這主要是由涵道內壁改變了螺旋槳的滑流邊界所導致的。但是由于涵道螺旋槳的涵道所產生的拉力大于涵道螺旋槳中的螺旋槳相對于孤立螺旋槳的拉力減小量，所以相同轉速下，涵道螺旋槳所產生的拉力是大于孤立螺旋槳的。

圖7為涵道螺旋槳涵道所產生的拉力隨轉速的變化曲線。從圖中可以看出，隨著螺旋槳轉速的增大，螺旋槳的集流作用增強，使得涵道唇口的繞流增強，因此涵道所產生的拉力隨著轉速的增大而增大。根據數值計算結果得出，涵道所產生的拉力占總拉力的比例隨轉速基本保持不變，本文中的值約為 23%

圖8為懸停狀態下涵道螺旋槳流線的側視圖和俯視圖。從圖中可以看出，涵道螺旋槳涵道唇口附近的空氣繞過涵道唇口流入涵道內部，并且由于涵道內壁的作用，涵道螺旋槳下方的氣流不存在明顯的縮頸，這一點有別于孤立螺旋槳。但是類似于孤立螺旋槳，涵道螺旋槳下方的氣流也為螺旋狀。

斜流狀態數值計算結果分析

對涵道螺旋槳在轉速為6000rpm，來流為10m/s，前傾角分別為0°、10^° 、 20^° 、 30^° 及 40^° 情況下的升力和推力進行了數值計算，得出了上述參數隨前傾角的變化曲線和不同前傾角下涵道螺旋槳的流場形態。同時與孤立螺旋槳在斜流狀態下的數值計算結果進行了對比分析。

圖9為斜流狀態下涵道螺旋槳和孤立螺旋槳的升力隨前傾角變化的對比圖，從圖中可以看出，涵道螺旋槳的升力隨著前傾角的增大先增大而后減小，其減小的速率小于孤立螺旋槳，且相同前傾角下，涵道螺旋槳的升力大于孤立螺旋槳，這主要是因為相當于環形機翼的涵道體在有前傾角的情況下也能夠產生一定的升力，其升力隨前傾角的變化趨勢如圖10所示。

圖11為斜流狀態下涵道螺旋槳和孤立螺旋槳的推力隨前傾角變化的對比圖，從圖中可以看出，涵道螺旋槳的推力隨著前傾角的增大而增大，其增大的速率大于孤立螺旋槳，且相同前傾角下，涵道螺旋槳的推力小于孤立螺旋槳，這主要是因為相當于環形機翼的涵道體在有前傾角的情況下產生了一定的阻力，其阻力隨前傾角的變化趨勢如圖12所示。

圖13為斜流狀態下涵道螺旋槳流線側視圖和×y剖面靜壓分布圖，從圖中可以看出，隨著前傾角的增大，涵道的迎風面積和迎角不斷地減小，這就使得涵道所產生的升力不斷增大而阻力不斷減小，當然其變化規律與孤立涵道隨前傾角的變化規律是有所區別的。

結論

本文主要對涵道螺旋槳和孤立螺旋槳在懸停狀態和斜流狀態下的氣動特性進行了數值計算，詳細地對比分析了兩者在相同狀態下的氣動特性，得出了涵道螺旋槳相比孤立螺旋槳所具有的優勢，為垂直起降類無人機系統的設計和優化提供了一定的理論依據。