基于CFD的涵道风扇无人机姿态调整分析

共轴双旋翼涵道风扇的气动特性研究周凌宇;吕琼莹;杨柳【摘要】利用CFD软件对涵道风扇进行虚拟仿真，对共轴反桨双旋翼涵道风扇的空气特性进行分析。

通过改变双旋翼的间距及飞行速度条件下仿真，对共轴反桨双旋翼涵道风扇气动特性的分析。

结果表明，涵道距离对涵道扇有拉力有影响，但并不明显。

在扰流的影响下，上桨盘产生的升力要小于下桨盘所产生的升力，并且涵道风扇不适合高速飞行。

%Use of CFD software virtual simulation for the ducted fan,analysis of the air characteristics of coaxial coun-ter-propeller ducted fan. Through the simulation under conditions of distance between the rotor and flight speed,analy-sis of the co-rotor axis ducted fan aerodynamic characteristics. The results showed that ducted distance ducted fan for pulling impact, but not great. Under the influence of burble, the lift generated on the upper propeller is less than the lift generated on the under propeller. The ducted fan is not suitable for high-speed flight.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)004【总页数】4页(P83-86)【关键词】共轴双旋翼;CFD;桨间距【作者】周凌宇;吕琼莹;杨柳【作者单位】长春理工大学机电工程学院，长春 130022;长春理工大学机电工程学院，长春 130022;长春理工大学机电工程学院，长春 130022【正文语种】中文【中图分类】V211.52同轴反桨双旋翼涵道风扇与传统单桨涵道风扇相比，有着独特的优势，首先，上下旋翼产生的反向扭矩会互相抵消，省去了无人机的尾桨，使无人机的结构变得更加紧凑。

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]。

基于CFD模拟的轴流风机扇叶设计优化研究摘要：本研究采用计算流体动力学（CFD）模拟方法，旨在优化轴流风机扇叶的设计以提高性能和效率。

通过数值模拟，我们系统地研究了不同扇叶参数对风机性能的影响，并提出了一种优化设计方案，以实现更高的能效和性能。

研究结果表明，通过CFD模拟可以有效地改善轴流风机的性能，并为风机工程领域的进一步发展提供有力支持。

关键词： CFD模拟；轴流风机；扇叶设计；优化；性能一、引言轴流风机作为工业和商业领域中广泛应用的关键设备，对能源效率和性能提出了不断增长的需求。

其中，扇叶作为轴流风机的核心部件，其设计和优化对整个风机系统的性能至关重要。

随着计算流体动力学（CFD）模拟方法的不断发展，研究人员可以更深入地理解风机流场，并进行更精确的性能预测和优化设计。

二、文献综述2.1 轴流风机的发展历程轴流风机作为工业领域的核心设备，其发展历程从19世纪末至今经历了令人瞩目的进步。

早期，轴流风机的设计主要依赖于经验和试验，限制了其性能和效率。

然而，随着科学和工程技术的进步，数学模型、实验室测试和计算流体力学等新方法的应用使轴流风机的设计变得更精确和可预测。

这些技术创新促使了风机的能效提升、噪音降低和寿命延长，从而为各行业带来了更高水平的气流控制和空气处理能力。

2.2 扇叶设计的重要性扇叶作为轴流风机的核心组成部分，其设计对风机性能至关重要。

扇叶的几何形状、叶片数目、叶片角度等参数直接影响风机的效率、噪音产生、能耗和寿命。

一个优化的扇叶设计可以显著提高风机的能效，降低运行成本，减少环境影响。

所以，深入研究和优化扇叶设计是提高轴流风机性能的关键步骤。

近年来，计算流体动力学（CFD）模拟技术的不断发展已经引领了轴流风机研究的新时代。

这一技术的崭新应用为风机工程领域带来了深刻的影响。

通过CFD，研究人员能够以前所未有的准确性模拟轴流风机内部复杂流动现象，如湍流、涡流和分离现象。

这种全面的流场信息为风机性能的深入理解提供了强大工具，并且为设计和优化提供了坚实基础。

• 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。