串列式扇翼布局流动特性数值研究

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1、航空学报Oct．252016voI．37No．102922．2931ActaAeronauticaeIAslronaut}caSinicaISSN1000．6893CN11．1929／VhItp：∥hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaa．edu．cn串列式扇翼布局流动特性数值研究史振海1’*，杨未柱2，路秀儒1，岳珠峰21．北京机电工程研究所，北京1000742。西北工业大学力学与土木建筑学院，西安710072摘要：扇翼能够通过前缘横流风扇的高速旋转对前方来流进行加速和重新整流。利用这一特点提出了一种串列式扇翼布局，其由一定间距和空间高度分布的前

2、后双排或多排扇翼组成，并基于二维模型对该布局开展了流动数值模拟，分析得到了不同前后间距、高度差以及排数下串列式扇翼布局的升力和推力特性。结果表明，相对单个扇翼，在合适的设计参数下串列式扇翼可得到更大的单排平均升力和推力，其中间距一倍风扇直径的四排扇翼平均升力和推力分别提高了约10％和30％。基于扇翼附近流场分布和翼型上下表面压强分布，分析了引起升力和推力提升的原因。该研究可为未来设计具有更好低速大载荷特性的扇翼飞行器提供参考。关键词：扇翼；气动布局；流动特性；间距；排数中图分类号：V211．4文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)10一2

3、922—10百余年的飞机发展史是一个不断进行概念创新和技术突破的过程，在此过程中，横流风扇和传统固定翼的结合为飞机的分布式推进和流动控制提供了独特的思路，研究者们将横流风扇以各种构造形式内嵌于机翼中，以期达到增升、减阻、矢量推进和改良失速特性等目的[14]。1998年，Peebles[s3将横流风扇安装于固定翼前缘的上表面，创造了一种具有低速大载荷特性的新型飞行器——扇翼飞机。扇翼飞机利用机翼前缘横流风扇的旋转同时产生升力和推力，这种新的飞行原理引起了工业界和学术界的广泛关注卧1]。与传统固定翼飞机相比，扇翼飞机最突出的优势在于其显著的低速大载荷特性，这

4、一特性与其产生升力的独特原理密切相关。风扇的旋转一方面加速了流经后缘上表面的气流，另一方面在风扇内部形成了显著的低压涡旋区，这两方面均对扇翼的大载荷特性有着重要贡献[7]。然而风扇的旋转也导致扇翼内部和周围的流动具有高度复杂性，因此学者们通过试验和数值模拟等方式开展了大量的相关研究[8。13。，这些为扇翼飞行器设计提供了理论指导。此外，学者们还进行了多种优化设计以改良扇翼的气动特性。Duddempudi等通过数值计算表明去除风扇内转轴、减小风扇出口处翼型高度(HousingExitHeight)以及适当延长翼型后缘长度可以大幅提高升阻比[14。。Aska

5、ri和Shojaeefard通过对6种不同翼型升阻力特性的对比研究发现下表面有一定上凹曲率的翼型可以同时提高升力并减小阻力n5

6、。国内的蒋甲利等[163和唐荣培[171通过风洞试验研究了叶片宽度和叶片偏角等参数对扇翼气动特性的影响。张银辉以Askari的计算结果为参考，通过非定常数值模拟研究了低压涡旋的形成过程，并进收稿日期：2015—10-23；退修日期：2015-12-10；录用日期：2015-12·19；网络出版时间：2016-01—2516：38网络出版地址：www．cnkl‘net／KcMs／detalj／11．1929．V。201601251

7、638，010．h{m*通讯作者．Tel．：010-88534283E-ma¨：bigmar@163com引用格武：吏扳海，杨来柱，路秀儒，等，串确武扇翼布蜀流动特性数值研究【国．航空学报．2816，37(10)：2922-293{．sHjZH·YA№WZ’LUxR．etaI№merica

8、investlgationln{o}

9、owcharacterlstIcsoffandemfan·wingco硼guratjon￡J]．AclaAe∞nauticae{AsfronaulicaSlnIca．2016．37(10)：2922—2931．史振海，等：串列式扇

10、翼布局流动特性数值研究一步分析了叶片数量、人流角和叶片安装角等参数对扇翼翼型气动特性的影响，确定了最佳几何参数[18

11、。以上数值模拟均在二维翼型上开展，最近芦志明等对三维扇翼模型开展了几何参数的影响研究[19

12、。通过以上研究，扇翼的基本飞行原理以及翼型参数的影响规律已渐趋明了，然而在总体布局和构型对扇翼飞机飞行性能的影响方面，相关的研究成果较少。目前已知的是，高平尾和双垂尾有利于减小飞行阻力和提高低速操纵功效[20

13、。这相比于固定翼飞机总体布局的多样性(前后掠翼、鸭翼、多翼面、双机身和飞翼布局等)略显单一，故开展扇翼飞机总体布局的创新设计并进行相关的数值

14、研究，为更充分地发挥扇翼的低速大载荷特性提供更多的可能性具有重要的工程意义。扇翼