周 煜 1,2, 陈伟政 1,2
(1. 中国船舶科学研究中心, 江苏 无锡, 214082; 2. 深海技术科学太湖实验室, 江苏 无锡, 214082)
摘 要: 近年来, 涵道螺旋桨作为一种性能优异的推进器被广泛应用于各种垂直起降无人机中, 但国内关于其地面效应的研究还较少。针对此, 文中使用了基于雷诺平均Navier-Stokes方程和多重参考坐标系的求解方法，通过数值仿真分别计算了不同离地高度下, 3种不同桨叶数的涵道螺旋桨各部件所受力和力矩的变化情况。并结合计算流体动力学计算结果分析了气动特性变化机理, 结果表明在近地高度达到一定值时, 涵道螺旋桨的气动特性发生显著变化, 螺旋桨部分升力增大但涵道部分升力减小, 系统整体所受反扭矩增加。最终量化成升力系数、功率系数和品质因子的变化, 发现随着离地高度的降低, 功率系数明显增大, 涵道螺旋桨的升力系数和品质因子的变化与螺旋桨桨叶数有关。由此得到了地面效应对涵道螺旋桨气动特性影响的初步结论。 关键词: 垂直起降无人机; 涵道螺旋桨; 地面效应; 气动特性
中图分类号: TJ85; V211.3 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2023)06-0942-07
DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0075
Research on Ground Effect of Ducted Fans of VTOL UAVs
ZHOU Yu1,2, CHEN Weizheng1,2
(1. China Ship Scientific research center, Wuxi 214082, China; 2. Taihu Laboratory, Wuxi 214082, China)
Abstract: In recent years, ducted fans, as a kind of propeller with excellent performance, have been widely used in various vertical take-off and landing(VTOL) unmanned aerial vehicles(UAVs). However, there is less research on its ground effect in China. Therefore, in this paper, a solution method based on Reynolds mean Navier-Stokes (RANS) equations and multiple reference coordinate system(MRF) was used. Through numerical simulation, the force and torque changes of each part of the ducted fans with three different blade numbers at different elevations were calculated. The changing mechanism of aerodynamic characteristics was analyzed by calculation results of computational fluid dynamics. The results show that when the altitude near the ground reaches a certain value, the aerodynamic characteristics of the ducted fans change significantly. The lift force of the propeller increases, but that of the duct decreases, and the reverse torque of the whole system increases, which were finally quantified as the variation of lift coefficient, power coefficient, and quality factor. The power coefficient i
ncreases significantly with the decrease in the elevation, and the variation of lift coefficient and quality factor of the ducted fans is related to the number of propeller blades. A preliminary conclusion on the influence of ground effect on the aerodynamic characteristics of ducted fans is thus obtained.
Keywords: vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle; ducted fan; ground effect; aerodynamic characteristics
0 引言
近年来, 无人机在各种军事和民用领域中得到广泛使用。传统的四旋翼无人机虽具有良好的操纵性, 但大都续航性能较差, 不能执行大范围任务。传统固定翼无人机虽然在执行大范围任务时
收稿日期: 2022-11-17; 修回日期: 2023-02-17.
作者简介: 周 煜(1998-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为计算流体力学
.
第 31 卷第 6 期水下无人系统学报Vol.31 N o.6 2023 年 12 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Dec. 2023
[引用格式] 周煜, 陈伟政. 垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 942-948.
效率较高, 但由于起飞要求高, 机动性差, 小范围精准作业难度较大。涵道风扇型无人机作为一种新型无人机, 具有垂直起降功能, 机动性能独特、推进效率高、噪声低且具有较好的隐蔽性[1-2]。美国Sikorsky公司研制的Cypher型无人机(见图1)可以执行前缘侦察、边界巡逻、通信中继、远程核生化检测和关键物品的后勤支援等任务。联合宇航公司设计的ISTAR型涵道风扇无人机(见图2)能执行情报、监视、侦察和辨标获取等任务。
图 1 Cypher I 与Cypher II 系列无人机
Fig. 1 Cypher I and Cypher II series UAVs
图 2 ISTAR 无人机
Fig. 2 ISTAR UAV
涵道风扇型无人机的推进装置为涵道螺旋桨，是一种将孤立螺旋桨放置于圆环涵道中以产生更大气动力的推进装置。最早对涵道螺旋桨展开研究的是美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)。早在20世纪60年代, NASA就针对涵道螺旋桨进行了一系列的风洞试验并得到了一些实验数据[3-7]。之后, Black等[8]就涵道入口形状、涵道出口扩张角、旋翼位置和桨叶数量等因素对涵道风扇进行了深入研究, 结果显示涵道出口扩张比是影响气动性能的最重要因素。
近年来, 随着计算机技术的飞速发展, 计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)技术已经广泛应用于航空、航天、气象及船舶等领域[9]。将CFD数值仿真应用于涵道螺旋桨的研究成果越来越多。芦志明[10]、宋文瑞[11]等研究了悬停、轴流及斜流3种情况下涵道螺旋桨的拉力和升力变化规律; 苏雷[12]对涵道螺旋桨进行了优化设计, 总结了涵道出口扩张角、出口长度及桨尖-涵道间隙等参数对涵道螺旋桨性能的影响。
地面效应对飞行器起飞和着陆有着重要影响，而且地面效应对气动性能的影响呈现高度的非线性特性[13]。涵道螺旋桨广泛应用于垂直起降飞行器, 在起飞和降落靠近地面时, 地面效应对其气动性能的影响同样不可忽视。目前对开放式旋翼在近地悬停时地面效应的研究已较为成熟[14], 但关于涵道式螺旋桨地面效应的研究还比较匮乏。Lee等 [15]使用格子莫尔兹曼方法对比了开发的螺旋桨和涵道螺旋桨, 认为涵道有减弱地面效应的作用。Jardin等[16]通过实验和数值仿真研究了涵道螺旋桨在靠近地面、墙壁及天花板时气动性能的变化, 发现靠近地面时产生的湍流涡流和脉动速度会影响涵道螺旋桨的稳定性。Bai[17]用CFD 方法研究了涵道螺旋桨在靠近地面、静水和波浪时产生的不同效应, 发现虽然近水时对涵道螺旋桨的影响不如地面强, 但升力和扭矩的变化趋势几乎一样。邓阳平等[18]研究发现涵道螺旋桨的升力和功率随着桨距角的增大而增大。但上述研究更多是定性研究, 关于不同离地高度的影响工况研究较少。文中以使用多种不同垂直起降无人机的涵道螺旋桨为研究对象, 通过数值仿真方法详细研究了地面效应对涵道螺旋桨的影响, 得到了地面效应对涵道螺旋桨气动特性影响的初步结论。
1 计算模型
S D
S dσd=S D/S d
D=d+2δdδ
c
文中使用的涵道螺旋桨气动模型如图3所示。3种计算模型除了桨叶数外, 其余部分的结构均相同, 涵道皆由NACA 0018翼型旋转1周生成，使用的螺旋桨为T-motor G27*8.8型。因为桨毂的存在对气动性能影响较小, 为了简化模型删除了桨毂。模型的主要参数见表1。涵道螺旋桨的气动性能主要由2个参数决定: 一是影响气流扩散作用的指标面积比, 即涵道出口面积与桨盘面积的比值, 面积比一般取1.0~1.25 之间, 文中取1.05; 二是展弦比, 涵道展弦比是指桨盘处涵道内径(为桨叶直径, 为桨壁间隙)与涵道高度的比值。研究表明, 当展弦比为1.5 时, 涵道所提供的拉力最大。文中取涵道的展弦比为 1.52 。
2023 年 12 月周 煜, 等: 垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究第 6 期
(a) 双叶桨模型
(b) 三叶桨模型(c) 四叶桨模型
图 3 涵道螺旋桨模型示意图Fig. 3 Ducted fans model
表 1 涵道螺旋桨主要参数
Table 1 Main parameters of ducted fan
项目数值桨叶数 2.00浆叶直径/mm 684.00桨壁间隙/mm 6.00涵道高度/mm 455.00涵道入口直径/mm 812.00涵道出口直径/mm 702.00桨盘处涵道内径/mm
696.00面积比 1.05展弦比
1.52
2 数值仿真与验证
利用数值仿真的方法, 通过求解流动控制方程
来模拟流场的流动情况, 避免了具体的模型实验，既降低了实验成本, 还可观察流场的具体流动情况并作出实时分析。处理多体相对运动问题一般需要使用动网格模型, 常用的动网格技术包括结构网格超限插值技术、非结构动态网格重构技术、重叠网格技术以及滑移网格技术。文中使用基于多重坐标参考系(multiple reference frame, MRF) 的滑移网格方法对涵道螺旋桨进行研究。 涵道和桨叶之间存在严重的气动干扰, 呈现出高度的非定常特性。文中使用的MRF 方法是在螺旋桨周围建立1个封闭的圆柱体区域用来仿真螺旋桨的旋转(如图4所示), 这个区域称为旋转域。其他部件所处的区域称为静止域。旋转域有与螺旋桨相匹配的旋转坐标系, 静止域指相对静止不变的坐标系。这样将瞬态问题近似看成稳态问题, 在两坐标系中分别求解流动控制方程, 2个
区域之间流场的信息交换通过交接面将相对速度转换成绝对速度来实现。
静止域
图 4 MRF 方法示意图
Fig. 4 Schematic diagram of MRF method
k ε数值仿真求解的过程中为了使控制方程得以封闭, 计算结果接近实际情况, 引入湍流量, 文中选用 Realizable K-epsilon 湍流模型进行求解, 该模型可更精准的仿真涵道螺旋桨的旋转情况。其湍流动能和
耗散率由以下输运方程得到
µt σk σεk εσk =1.0σε=1.3G k G b G 1εC 3εc 2εG 1ε=1.44c 2
ε=1.92,C 3ε=1S k S ε式中
: 为涡黏性系数; 、分别为和的湍流普朗特数, , ; 、分别为平均速度梯度湍动能生成项和浮力产生的紊流动能;
、和为常数, , ；和是用户定义的源项。
湍流粘度
C µ式中, =0.09为常数。
采用孤立螺旋桨T-motor G27*8.8在自由空间内的悬停实验验证文中数值仿真方法的求解精度，如图5所示。
图 5 孤立螺旋桨旋转域
Fig. 5 Isolated propeller rotation domain
2023 年 12 月水下无人系统学报第 31 卷
使用MRF方法, 在孤立螺旋桨周围用1个圆柱形区域将螺旋桨包裹, 并将其设置为旋转域, 其余空间均设置为静止域。分别计算不同转速下螺旋桨所产生的升力。将计算结果与T-motor给出的参考值进行对比,
结果见表2。可知, 不同转速下得到升力的误差基本都小于5%, 为可接受范围, 故使用的计算方法具有较高可行度。
表 2 不同转速下实验所得升力值与参考值对比Table 2 Comparsion of the experimental lift value and reference value at different rotational speeds 转速/(r/m)参考值/N计算值/N相对误差/%
1 963
2 5612 419 5.54
2 405
3 5563 380 4.95
2 6964 3814 249 3.00
2 9745 2405 170 1.33
3 4016 9356 766 2.43
4 35310 81611 090 2.54
3 计算网格及求解器设置
首先进行网格无关性检验, 探究网格数量对计算结果的影响。针对使用的计算模型, 选取3种不同密度的网格, 采用相同的计算方法和相同的边界条件进行计算, 对比不同计算网格得到的升力和反扭矩值如表3所示。结果显示低密度网格误差相对较大, 高密度网格虽然更精确但计算时间较长, 文中选择中密度的网格计算。
表 3 3种不同网格密度及实验结果对比
Table 3 Comparison of three different mesh densities and experimental results
网格密度旋转域静止域网格总量升力/N扭矩/(N·m)低 4.70×105 3.10×1057.80×105178.4−6.8
中 1.65×106 1.46×106 3.11×106189.7−7.4
高 2.81×106 2.28×106 5.09×106192.4−7.8
对涵道出入口、桨尖处对网格进行局部加密，最终形成的网格如图6所示。理论上外流场的计算域应取无穷大, 基于计算资源考虑, 文中选取正方体计算域, 正方体边长取20倍涵道入口直径。改变离地高度时保持涵道螺旋桨模型气动中心与正方体中心始终位于一条轴线上。实验使用的求解器为Ansys-Fluent, 边
界条件设置如图7所示。四周边界采用压力出口的边界条件, 涵道螺旋桨和地面使用固定壁面的边界条件。
(a) 静止域网格(b) 涵道网格
(c) 螺旋桨网格
图 6 计算网格
Fig. 6 Compute mesh
(压力出口)
涵道()
地面(静止壁面)
图 7 边界条件设置
Fig. 7 Boundary condition setting
图8为外流场网格分布情况, 为了在捕捉涵道附近精密流场信息时减少全局网格量, 由外至内将网格逐级加密。静止域与旋转域交界处网格如图9所示, 为使网格过渡更加平滑, 在涵道尾部尖端与螺旋桨旋转域内进行局部加密。同时在生成网格时使用额外体控制保持交界面两侧网格尺度
图 8 外流场网格分布情况
Fig. 8 Grid distribution of outflow field
图 9 静止域与旋转域交界处网格
Fig. 9 Grid at the junction of stationary and rotating domains
2023 年 12 月周 煜, 等: 垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究第 6 期
大致相同, 以确保交界面间插值计算的准确性。
4 仿真结果分析
H /D ρ=
1.225kg/m 3以涵道出口与地面的距离H 与桨盘处涵道内
径D 的比值为指标, 计算不同近地高度涵道螺旋桨的气动性能。对两叶、三叶和四叶3种型号涵道螺旋桨分别取=0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、3.0和4.5等10种工况进行计算。当H /D =4.5时, 可看做涵道螺旋桨在自由空间内悬停。螺旋桨转速取4 000 r/min, 马赫数为0.42, 因为所取高度不大, 大气参数近似海平面, 密度取。
图10分别显示了悬停在6个不同离地高度的
H /D ⩾2.0A e 平均压力场。可以明显看出, 随着涵道螺旋桨离地距离的减小, 螺旋桨下方静压增加, 但上方压力变化不大。所以越接近地面, 螺旋桨升力也逐渐增加。另一方面从流线图可看出, 当时，涵道出口的尾流还较稳定。随着高度的不断降低，尾流与撞击地面后的反射气流相互影响形成涡环
[18]
,
使得通过螺旋桨的流量有所增加, 扩大了螺旋桨上下方的压力差, 从而使螺旋桨的升力增加。但是因为反弹的气流被吸入涵道内部, 增大了涵道螺旋桨的反扭矩, 使得螺旋桨需要更多的驱动功率来克服反弹气流做功。同时, 越接近地面, 壁面射流的厚度逐渐下降, 流速加快, 涵道扩散口的有效流通面积降低, 导致质量流率下降。
Y Z
X
A e
(a) H /D =4.5
Y
Z
X
A e
(b) H /D =2.0
p /MPa
Y
Z
X
e
(c) H /D =1.5
p /MPa
Y Z
X
A e
(d) H /D =1.2
p /MPa Y Z
X
A e
(e) H /D =0.8
p /MPa
Y Z
X
e
(f) H /D =0.2
p /MPa
p /MPa
5 0002 5002 0001 5001 2501 0007505002500
−5 000−10 000−15 000
5 0002 5002 0001 5001 2501 0007505002500
−5 000−10 000−15 000
5 0002 5002 0001 5001 2501 0007505002500
−5 000−10 000−15 000
5 0002 5002 0001 5001 2501 0007505002500
−5 000−10 000−15 000
5 0002 5002 0001 5001 2501 0007505002500
−5 000−10 000−15 000
5 0002 5002 0001 5001 2501 0007505002500
−5 000−10 000−15 000
图 10 不同离地高度下涵道对称面处的流线和压力云图
Fig. 10 Streamlines and pressure nephograms at the surface of symmetry of culverts at different elevations
H /D >2H /D <2下面通过数值仿真的结果详细说明3种涵道风扇各部件受力变化。首先, 分别计算不同工况下涵道螺旋桨各部件的升力T 和扭矩M 。结果如图11和图12所示, 当时, 各部件升力变化不大; 当时, 随着离地高度的减少, 螺旋桨升力值开始逐渐增大, 涵道的升力逐渐减少。两叶桨、三叶桨和四叶桨涵道风扇螺旋桨部分升力分别提升了32.6%、46.1%和56.7%; 涵道部分升
力分别减少了80.2%、71.9%和70.3%。可以看出，在不同桨叶的涵道风扇系统中, 地面效应对涵道部分的升力降低影响较为一致, 但对于系统中螺旋桨部分的升力提升效果却各不相同。
C
C 将涵道螺旋桨系统升力及驱动功率按下式无2023 年 12 月水下无人系统学报第 31 卷
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