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涵道风扇无人机基于FLUENT的性能分析_张桥

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飞 机 设 计
第33卷
（2）prePD—— FLUENT用PDF模型计算燃烧 过程的预处理软件。 （3）GAMBIT——FLUENT提供的网格生成软 件。 （4）TGRID——FLUENT用于从表面网格生成 控件网格的软件。 （5）过滤器——或者叫翻译器，可以将其他 CAD/CAE软件生成的网格。 GAMBIT用于自己的绘图器，可以完成复杂 外形的二维/三维建模，并提供了强大的布尔代数 运算功能，能够准确地模拟分析出分析对象的几 何外形。由于GAMBIT需要非常准确的模型，对 模型建立的质量要求很苛刻，为了方便应用，实 际中，我们对模型须进行必要的简化，忽略一些 结构条件，以达到分析的目的。 FLUENT软件采用有限体积方法，并提供了3 种数值算法：SEGREGATED SOLVER，COUPLED EXPLICIT SOLVER和COUPLED IMPLICIT SOLVER。此外，FLUENT软件包含了8种工程上 常用的湍流模型，而每种模型又有若干子模型。 其中k-占模型包括鲁棒性较好的Standard k- 模 型；针对逆压梯度的RNGl k- 占模型和针对旋流 的Realizable k- 占模型。这3种湍流模型又分别 包括3种壁面函数：标准壁面函数、非平衡避免函 数和双层区域壁面函数。 FLUENT的后处理器具有强大的后处理功 能，能够完成CFD计算所要求的功能，包括速度 矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图等， 并具有积分功能，可以求得模型所受的各种力、 力矩及其对应的力和力矩系数、流量等。对参数 和计算中的误差可以随时进行动态的跟踪显示。
图2 求解器定义
设置好之后，就可以对模型进行具体的边界 条件设置了，边界条件设置对于仿真的成功起到 了关键的作用。模型可以设置为六边界面和一个 体，如表1所示。
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飞 机 设 计
第33卷
边界条件，即沿倒周方向呈周期性流动特点，或 沿直线方向呈周期性特点。在周期性计算中，流 动必须满足的条件包括流动为不可压流；流场在 流动力向上的几何特征具有周期性特征；如果采 用耦合求解器，只能给定压强增量，如果采用分 离求解器，则可以同时给定压强增量和质量流 量；在流场入口和出口上没有质量的净增量；弥 教相模型、多相流模型和反应流模型不能出现在 计算中。在这里，我们只需要将左右端而定义 为periodic类型，井在periodic type对话框中选择 Rotational。 （5）压力入口和压力出口设置 模型的上表面设置为压力入口，下表面设 置为压力出口。入口压力边界中，可以设置总压 P =0，湍流水平保持缺省设置。而在下表面出口 压力边界不需要设置任何参数，如图4所示。
影响。旋翼的叶片数 N =3，直径 D =45.72 cm，取 值D=46 cm，旋翼与涵道外壳间隙 =5 mm，旋翼 弦长b=40 mm， =3尖削比，旋翼翼型内外扭转度 分别为12°和0°。涵道风扇无人机的中心体直 径为90 mm，在计算模型中，近似地将中心体看 作旋翼的桨毂直径。根据涵道风扇无人机的对称 性，计算模型选取整个无人机的1/ N 作为计算对 象，并根据轮毂和涵道外壳的尺寸，构造了进口 收缩段和出口压缩段。通过对模型表面的定义， 可以确定涵道风扇的进出口、旋翼叶片的压力面 和吸力面、轮毂面和外壳面[2]。 1.2 网格划分 涵道风扇计算模型的网格划分用FLUENT的 前置处理器GAMBIT来完成。GAMBIT是专业的 前置处理器软件包，用来为CFD模拟生成网格 模型，由它生成的网格模型可供多种CFD软件 使用。GAMBIT具有突出的非结构化网格生成能 力，能够针对及其复杂的几何外形生产三维四面 体、六面体的非结构化网格及混合网格，且有 数十种网格生成方法。GAMBIT可以从PRO/E， UGII，CATIA，ANSYS等主流的CAD/CAE系统导 入几何和网格。本章中我们使用GAMBIT从CATIA 中导入涵道风扇的计算模型，并进行网格划分。 生产网格的过程中，面网格采用三角形网 格，体网格采用四面体/六面体混合型网格单元。 网格质量的好坏直接影响到模型分析结果的好 坏，过疏或者过密的网格都会极大地影响计算结 果。过疏的网格往往得到不精确，甚至完全错误 的结果；过密的网格会使计算量增大，使计算难 以收敛，得不到理想的结果。在有边界的涵道外 壳、轮毂面以及旋翼叶尖到涵道外壳的径向间隙 空间，网格节点间距设为5 mm，网格单元选用 Tet/Hybrid，类型选用Tgrid。网格划分后得到的网 片和轮毅面都设置为壁面。在涵道风扇 中，叶片和轮毅面在发动机的带动下旋转，但是 相对于之前设置的旋转参考坐标系，叶片和轮毂 都是静止的，因此，叶片和轮毂面都可以设置为 Stationary Wall。 （3）定义外壁面 模型的外壁面相对于之前设置的旋转参考系 具有旋转速度，可以将其设置为Moving wall，将 其Motion设置为Absolute和Rotational，绝对速度设 置为0，旋转轴为Y轴。 （4）定义周期边界 扇形模型的左右两个边界可以定义为周期 边界。因为在涵道风扇体中，流体的流动包含 周期性特征。周期性流动特征是在一定的时间、 空间间隔上流场变量或其导数有重复出现的现 象。周期性边界条件包括旋转周期性条件和平移
收稿日期：2012-02-18；修订日期：2013-02-26
非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这 一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的 时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细 化方法变得很简单，并且减少了计算量。 FLUENT是用C语言编写的，因此具有很大的 灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据 结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为 了高效的执行，交互的控制，以及灵活地适应各 种机器与操作系统，FLUENT使用client/server结 构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力 的服务器上分离地运行程序。 FLUENT软件包中包括以下软件： （1）FLUENT求解器——FLUENT软件的核 心，所有计算在此完成。
面的压力在径向上有递减的趋势，而且叶片迎风 面的压力小于背风面的压力，相比较于叶片上表 面压力的变化情况，叶片下表面的压力变化比较 小。通过图6叶片表面的速度矢量图可以看出，叶 片尖部的速度要比根部的速度快，这应该是旋翼 高速旋转所产生的结果。
第33卷 2013年 第3期
第3期 6月
飞 机 设 计 AIRCRAFT DESIGN 邹 辉 等：高超声速湍流高效模拟算法
Vol. 33 No. 3 20135 Jun
文章编号：1673-4599 （ 2013 ） 03-0005-05
涵道风扇无人机基于FLUENT的性能分析
张 桥，刘春义
（沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035） 摘 要：针对所设计的涵道风扇无人机，利用流体力学分析软件Fluent对其进行内部流场分析，简述仿真模型
并网格划分，对涵道风扇无人机涵道出入口、旋翼叶片表面压力、速度变化进行仿真分析。 关键词：无人机；涵道风扇；空气动力学；总体设计 中图分类号：V211.45 文献标识码：A
Performance Analyze of Ducted Fan Unmanned Aerial Vehicle by Fluent Software
1 涵道风扇计算模型建立及网格划分
1.1 计算模型建立
FLUENT软件可以利用其前置处理器GAMBIT 建立计算模型并进行网格划分，但对于一些形状 比较复杂的模型不是十分便利。我们使用CATIA 三维软件建立涵道风扇的计算模型 [1]，并导入到 GAMBIT中进行网格划分。 涵道风扇无人机中，涵道外壳具有固定翼 的翼型特征（NACA0016），旋翼的翼型选择为 NACA0012，当然我们可以根据需要改变旋翼的 翼型进行分析，以得知翼型对于涵道风扇性能的
[3]
（1）定义流体域 模型中空气流过的区域则可以建成一个体 区域，取名为liuchang。由于叶片在发动机的带 动下在涌道内有旋转运动，因此需要设立一个旋 转参考坐标系。在Fluent的Boundary Conditions对 话框中，可以对liuchang体区域进行设置。材料 设置为air，在Motion Type中选择Moving Reference Frame，表明设置了一个旋转参考系，旋转速度设 置为3 600 r/min，旋转轴根据模型选择为Y轴，设 置好之后如图3所示。
ZHANG Qiao , LIU Chun-yi ( Shenyang Aircraft Design & Research Institute , Shenyang 110035 , China ) Abstract : Based On the research of ducted fan, the aerodynamic characteristics of the flying robot are studied by means of combination of momentum theory and blade element theory in this paper. An aerodynamic mathematical modeling of the ducted fan and wings has been established. Key words : unmanned aerial vehicle ; ducted fan ; aerodynamics ; principal structure design FLUENT是FLUENT公司开发的一种使用范围 广泛、功能强大且适合以工程为题计算的计算流 体力学（CFD）软件。FLUENT公司是享誉世界的 最大的CFD软件供应商，作为专业的CFD软件， FLUENT可用于外部流场分析、发动机流场分 析、空调系统分析、水泵及风扇的流场分析、邮 箱晃动模拟、化学反应模拟等方面。 FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流 动及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格 灵活性，可以使用非结构网格，如二维三角形或 四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来 解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非 结构网格。对于大梯度区域，如自由剪切层和边 界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是

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高涵道比高效率风扇气动设计与CFD 分析

高涵道比高效率风扇气动设计与CFD 分析

772022年7月下 第14期 总第386期工艺设计改造及检测检修China Science & Technology Overview1.文献综述1.1 设计过程设计过程一般包括初始设计、throughflow 方法、叶栅计算、准三维计算、三维计算流体动力学模拟分析。

初始设计的重要性在于它能影响压气机布局甚至发动机循环。

初始设计用来构造速度三角形以及级负载（stage loading）、流系数等参数。

压气机的尺寸也能计算出来。

计算流体动力学（CFD）正被越来越来用在涡轮机械的设计和分析过程。

CFD 是对包含流体、传热、以及化学反应的系统的仿真。

在CFD 中，雷诺平均Navier-Storkes （RANS）方程在一个计算网格上求解，以获得网格上的流场。

CFD 能预测叶片表面压力分布、跨音速过程以及泄露等。

但边界层和二次流的预测可能不是很准确。

1.2 叶栅叶栅主要有C 系列、NACA 65以及双圆弧叶栅等。

C系列主要应用在英国，有C4、C5和C7。

NACA 65主要应用在美国。

这2种叶栅适用于亚音速情况。

而双圆弧可适用于跨音速情况。

1.3 漩涡理论（vortex theory）漩涡理论是关于流体元素径向平衡的理论。

一个流体元素在转子中旋转会受到离心力的作用，该离心力需要径向的静压差来平衡。

有几种旋涡理论如自由旋涡、强制旋涡、可变旋涡和混合旋涡。

1.4 激波及损失当进气马赫数低于1.5[1]时且无边界层分离，激波是一种有效的压缩空气的方式。

当进气马赫数低于1.5时，由正激波引起的损失非常小。

1.5 关键参数1.5.1涵道比和风扇压比涵道比（BPR）是外涵流量与内涵流量的比值。

高涵道比能提供更高的起飞推力且能使耗油率降低。

当涵道比、涡轮进口温度、总压比确定后，存在一个最优风扇压比，且最优压比随着涵道比的增加而降低。

1.5.2风扇叶尖速度叶尖速度通常受机械强度所限，其值一般小于500m/s [3]。

涵道风扇无人机结题报告

涵道风扇无人机结题报告


一.涵道地效无人母体机简介
4.地效飞行器原理
地面效应是飞行器由于地面 或水面干扰的存在，飞行器升 力面（通常指机翼）的下洗作 用受到阻挡，使地面或水面与 飞行器升力面之间的气流受到 压缩，即机翼下面的压力升高， 因而增大了机翼升力，同时减 少阻力（即机翼诱导阻力因气 流流过的条件改变而减小）的 二种空气动力特性。
一.涵道地效无人母体机简介
3.地效飞行器概念 • 无人母体机地效飞行是借助于地面效应原
理，贴近水面（或地面）实现高速航行的 运载工具。与相同排水量的船艇相比，由 于它在巡航飞行阶段不与水面直接接触， 从而大大减少了航行阻力，提高了巡航速 度；与常规的飞行器相比，它的载运重量 又远远高于同级的飞机。因而地效飞行器 将飞机空中飞行的高速性和海上舰船的高 承载性的优点完美地结合到一起，因而地 效飞行器曾被称作“两不象”：如果说它 是飞机，它却不需要机场起降，而且能象 船一样在水上航行如果说它是船，它却又 能象飞机一样飞行。
数据传输应用； 4. 自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键
部门应用。整体性能高于美国GPS导航系统的上水平。
优势：利用北斗导航系统，该飞行器能迅速准确确定敌方目标 并快速实施攻击，达到高效准确执行并完成作战任务
完成图
三.地效飞行器结果分析
三体地效飞行器的主要优势：
1、运载效率高，机动性好 2、两栖性地效飞行器 3、良好的隐蔽性和突防能力 4、多用途作战 5、高耐波性与适航性
涵道地效无人母体机
————哈尔滨工程大学
三维模拟图
涵道地效无人母体机
一、
涵道地效无人母体机简介
二、
涵道地效无人母体机的基本组成部分
三、
涵道地效无人母体机的结果分析
8带变向环涵道风扇矢量推进系统气动特性分析-丁自强(8)

8带变向环涵道风扇矢量推进系统气动特性分析-丁自强(8)

第二十八届（2012）全国直升机年会论文带变向环涵道风扇矢量推进系统气动特性分析丁自强陆洋陈仁良（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016）摘要：本文针对带变向环涵道风扇矢量推进（VTDP）系统，使用FLUENT结合动量源方法对其流场和气动特性进行分析，研究了该系统各偏转部件在不同偏转角度组合状态下对系统气动特性的影响。

计算结果表明变向环可以有效地将涵道风扇产生的部分拉力转变为侧向力，同时还可以提高风扇产生的拉力；但偏转量过大会加快系统迎风阻力的增大。

关键词：VTDP；变向环；动量源；CFD0 引言大幅提高飞行速度已成为当今直升机发展的趋势之一，为了达到这一目标，各类型的高速复合式直升机应运而生。

已有的几种高速复合式直升机包括：倾转旋翼机，ABC刚性旋翼机，X旋翼机，X-49“速度鹰”等。

其中，X-49采用的涵道风扇矢量推进（VTDP）系统（见图1）可以有效地提升复合式直升机的最大飞行速度，改善直升机的操纵性能，在复合式高速直升机中具有良好的应用前景；同时相比于其他几种构型的复合式直升机，具有造价低和风险小的优势，且方便利用现有直升机的机体进行改装[1]。

（a）X-49“速度鹰”（b）VTDP图1 X-49“速度鹰”及VTDP系统国外早在20世纪50、60年代便开始了针对涵道风扇系统的相关研究。

文献[2-3]开展了大量的试验来研究设计参数对涵道风扇系统的影响，试验变量包括涵道唇口外形、涵道长度、涵道扩张角、风扇在涵道中的位置、风扇总距、风扇桨叶翼型、风扇桨叶片数以及桨尖间隙在不同来流和风扇转速下涵道风扇系统的推力特性等。

这些试验结果对于涵道风扇系统的设计，研究涵道产生附加推力机理具有重要的作用。

Jonathan Fleming等人则通过试验方法对各种增强涵道风扇无人飞行器（UA V）纵向平面操纵性的方法进行对比研究[4]，其中包括传统的偏转以及其他的辅助操纵装置，然后根据试验结果总结出若干控制系统设计中需要注意的问题。

基于涵道风扇的飞行包性能分析

基于涵道风扇的飞行包性能分析

• 64 •内燃机与配件行包的设计和选用提供了理论依据。

i 涵道风扇推力模型涵道风扇也叫管道风扇，是一种将风扇环括在涵道内 部，通过抑制风扇桨尖涡达到增升效果的推进装置。

相比于 孤立风扇，涵道风扇系统气动效率高、噪声低、结构紧凑、安 全性好，常作为升力面或推进装置应用于飞行器设计中。

Rankine 和 Froude 提出的 Actuator Disc Theory 模型 描述涵道风扇的推力与功率、直径等参数之间的关系，是 较为常用的涵道风扇推力模型：t =a pa v ( 4V -V i ) (1)式中T 为推力，A 为风扇面积，籽为空气密度（该模型认 为空气流速在不可压范围，p 为常数），A V 为风扇前后空气流 速的增量，V i 为轴向来流速度。

所需的风扇驱动功率P 为咖1+姨菩+士(2)其中ed 为涵道出□面积与风扇面积之比。

实际的涵道风扇在多数情况下不会沿轴向飞行，而是 以一定的迎角近似平飞。

在迎角飞行的情况下，推力与很 多因素有关，目前虽然有不少这方面的模型，但都难以给 出较为准确的估计。

故这里为了数学上能够处理，采用公 式（1 )、( 2 )给出的模型来描述耗油量与推力的关系。

由（2)式可以得到风扇功率一定的条件下，每个速度对应的推力，如图1。

从图1中可以看出，随着飞行速度的增加，涵道风扇能够提供的推力越来越小，加速能力也越 来越小。

V e lo c it y (m /s )图i 功率一定时不同速度对应的推力0引言飞行包是一种有动力的单人短程飞行装备，通常以螺 旋桨、风扇或火箭发动机为动力，拥有自主垂直升空和降 落的能力。

飞行包概念起源于20世纪。

1919年，俄罗斯的 Aleksandr Fyodorovich Andreyev 提出世界上第一款，该飞 行包被授予专利，但没有实际生产和测试。

[1]1959年美国陆军提出“小型火箭升力装置(SRLD )”概 念，并授予Bell Aerosystems 公司一份研发合同，论证火箭 背包的可行性，并指定后来公认的飞行包设计专家 Wendell Moore 担任首席工程师。