2017, Vol. 49
引用本文 | doi: 10.16356/j.1005-2615.2017.03.014 |
2. 南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016
2. National Key Laboratory of Science and Technology on Rotorcraft Aeromechanics, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China
扇翼飞行器[1](图 1)自诞生以来，以其独特的机翼结构和气动原理吸引了国内外研究人员的关注。与常规机翼相比，其在机翼前缘位置加装了一个绕固定轴旋转的横流风扇(图 2)。在旋转横流风扇的作用下，机翼前缘弧形槽内形成了一个稳定的涡流，该涡流能够产生类似于鸭翼+三角翼气动布局大迎角时的涡致升力[2-3]，同时由于前缘弧形槽低压区的存在，使得整个机翼在来流方向的压差力表现为推力。在一定的迎角范围内，综合其所有的阻力因素，最后该方向的力是与来流方向相反的，为此整个机翼在该方向的力为推力，从而使得扇翼飞行器的升推力都是由机翼提供，所以本文研究的重点即是扇翼飞行器的机翼。
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图 1 扇翼飞行器 Figure 1 Fanwing aircraft |
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图 2 扇翼飞行器机翼模型 Figure 2 Model of fanwing′s wing |
英国的Peebles等[4-5]与帝国理工学院教授Graham合作，通过风洞试验的方法，研究了扇翼飞行器的动力学，自转性能，升力、推力效率等，指出：扇翼低速飞行时的效率要高于直升机，并且具有噪声小和结构简单等优点。伊朗科学技术大学的Askari [6-7]和Shojaeefard通过有关试验和理论分析研究了风扇转速、雷诺数、飞行迎角和后缘小翼安装角度对升力系数、阻力系数及功率的影响。除此之外，随着计算机和计算流体力学发展水平的提高，国外学者Duddempudi等[8]，基于CFD技术，研究分析了扇翼飞行器复杂的流场，并提出了改善扇翼飞行器性能和效率的方法。2011年欧洲航空航天交流会上，英国学者Seyfang[9]展示了双垂尾式布局扇翼飞行器，使扇翼飞行器飞行稳定性增强、飞行阻力减小且提高了飞行速度，同时介绍了扇翼飞行器风扇转速、翼型结构、叶片外形、叶片数量和叶片安装角等具体参数的最新研究结果。
国内对扇翼飞行器的研究相对较晚，尚无系统性的研究。中国航空工业空气动力研究院的牛中国等[10-12]使用CFD软件对扇翼外围流场进行了数值模拟，并开展了风洞吹风试验，先后进行了气动力测量和PIV粒子图像测速试验，对扇翼整体气动布局与部分设计参数做了初步探索。南京航空航天大学的吴浩东等[13]对扇翼的工作机理、设计参数和内部偏心涡特性进行了理论研究，模拟了扇翼内部涡量的变化，并通过广义Kutta-Joukowski定理解释了扇翼高升力的原因。此外，南京航空航天大学的王仁华等[14-16]通过对扇翼飞行原理的分析，对扇翼飞行控制领域开展了一些基础工作。
目前，国内外主要利用数值模拟的方法对扇翼进行了一定的研究探索，针对扇翼设计参数的风洞试验和发表的试验数据非常少，而扇翼涡升力和分布式推力控制技术主要就是研究各参数与扇翼升力和推力之间的关系。本试验将对影响扇翼升推力风扇转速、来流速度、飞行迎角、前缘开口角和叶片安装角进行研究。通过本次试验，将对扇翼的气动特性有更为深入的了解，为大尺寸扇翼无人飞行器的设计制作提供技术支撑。
1 风洞与模型本试验依托南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点试验室的低速开口回流式风洞(图 3)。试验采用单一因子变量，逐一研究单项参数对气动特性的影响。试验模型采用风轴坐标系，来流方向为X轴正方向，Y轴垂直于X轴向上为正，Z轴垂直于XY平面并满足右手坐标系，具体试验参数及相应数值见表 1。试验模型参数见表 2和图 4，试验段扇翼模型见图 5，风洞中安装位置见图 6，7。定义文中升力系数CL与阻力系数CD的计算公式为
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图 3 低速开口回流式风洞 Figure 3 Low speed open return wind tunnel |
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表 1 试验状态 Table 1 Test parameters |
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表 2 扇翼设计参数 Table 2 Design parameters of wing |
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图 4 扇翼截面参数 Figure 4 Section parameters of fanwing |
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图 5 试验模型 Figure 5 Experimental model |
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图 6 试验台及试验模型相对位置关系 Figure 6 Relative position relationship between experimental platform and experimental model |
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图 7 扇翼模型试验位置 Figure 7 Fanwing model experimental position |
| $ {C_L} = \frac{L}{{\left( {1/2} \right)\rho {V^2}S}}, {C_D} = \frac{D}{{\left( {1/2} \right)\rho {V^2}S}} $ | (1) |
式中:L为升力值；D为阻力值；ρ为空气密度；V为来流速度；S为参考面积。
本文定义参考面积S计算公式为
| $ S = \left( {{L_C} + {R_2} \cdot \cos \theta } \right) \cdot {L_b} $ | (2) |
图 8为升力系数随转速变化的曲线图。从图 8中可以看出，在恒定来流速度时，随着转速的增加，扇翼的升力系数随之提高。来流速度大于5 m/s时，升力系数随转速基本呈现线性增长趋势。由此可以看出，转速对扇翼升力系数的影响极为显著。来流速度越低，升力系数变化趋势越为明显，以来流速度5 m/s为例，1 200 r/min对应的升力系数是400 r/min时的3倍多，升力系数增长约2.2。因此，在低速飞行时，扇翼飞行器可以通过提高转速获取更高的升力，即扇翼具有低速大升力的优点。
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图 8 升力系数随转速变化的示意图 Figure 8 Lift coefficient curve changing with rotation speed |
图 9为阻力系数随转速变化的曲线图。从图 9中可以看出，阻力系数的变化趋势基本与升力系数一致，即在来流速度恒定时，随着转速的增加，扇翼的阻力系数随之提高。同样，在来流大于5 m/s时，阻力系数随转速几乎呈现线性增长趋势。来流速度越低，阻力系数随转速变化的差量最大，以5 m/s为例，1 200 r/min与400 r/min阻力系数之间的差值达到1.6。随着转速的提高，叶片带动的周围气流获得的加速作用越明显，这些气流最终以高速向后方排出，气流对叶片的反作用力随之增大，形成更大的向前推力。
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图 9 阻力系数随转速变化的示意图 Figure 9 Drag coefficient curve changing with rotation speed |
图 10为需用功率随转速变化的曲线图。在来流速度恒定的条件下，扇翼运行所需的功率随转速的增加而增加。由于动能损失、摩擦和加速气流，维持内部偏心涡是一个耗能的过程，而转速越高，对气流的加速作用越为明显，内部偏心涡强度越高，用于维持偏心涡结构的能量随之增加，最终以需用功率增加的方式表现出来。
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图 10 需用功率随转速变化的示意图 Figure 10 Power curve changing with rotation speed |
2.2 气动特性随来流速度的变化
图 11为升力系数随来流速度变化的曲线图。从图 11中可以看出，在转速恒定的条件下，随着来流速度的增加，扇翼的升力系数逐渐降低，且转速越高，升力系数的降幅越大。以400 r/min为例，来流速度20 m/s对应的升力系数约为5 m/s时的35%。相反，随着扇转速的增加，升力随之增加，当转速为1 200 r/min时，来流速度20 m/s对应的升力是5 m/s时的5倍多。
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图 11 升力系数随来流速度变化的示意图 Figure 11 Lift coefficient curve changing with flow velocity |
图 12为阻力系数随来流速度变化的曲线图。从图 12中可以看出，阻力系数的变化规律与升力系数基本一致，在转速恒定的条件下，均随着来流速度的提高，呈现逐渐降低的趋势。同样地，转速越高，阻力系数变化越为明显。在转速恒定的状态下，来流速度的增加意味着单位时间进入扇翼内部流场的气流量增多，而整个流场满足连续性守恒的条件，使得单位时间内排出的气流量有所增加。由动量守恒可知，单位时间内排出气流速度不变，质量增加，对气流施加的作用力必定有所增加，同时气流对叶片的反作用力也相应增加，从而获得前向的推力。同时，来流速度的增加使得扇翼本身所受的气动阻力增加，向前的推力与阻力共同作用，使得在某一来流速度下获得最大的推力。
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图 12 阻力系数随来流速度变化的示意图 Figure 12 Drag coefficient curve changing with flow velocity |
图 13为需用功率随来流速度变化的曲线图。从图 13中可以看出，转速较低的状态下，功率随来流的变化并不明显。随着转速的增加，需用功率随来流变化的趋势逐渐明显。当转速为1 200 r/min时，最高来流20 m/s对应的功率是最低来流5 m/s时的2倍多；转速800 r/min时，最高来流对应的功率是最低来流时的135%，增幅显然低于转速1 200 r/min对应的变化率。当风扇高转速时，来流速度的增加，使得单位时间内流入扇翼及其附近区域的气流量增加，同时排出的气流量随之增加。这些气流由于旋转风扇的作用，获得了更高的动能，而这些能量均是由电机提供，使得电机驱动功率提升。转速较低时，扇翼内部的低压漩涡形成尚不明显，这就降低了吸入扇翼内部的气流量，相应地，排出的气流量也随之减小。同时，转速低，摩擦消耗、机械传动损失的能量减少，用于维持偏心涡的能量减少，排出的加速气流需要提供的能量也相对减少，使得整体变化趋势并不明显。
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图 13 需用功率随来流速度变化的示意图 Figure 13 Power curve changing with flow velocity |
2.3 气动特性随迎角的变化
定义扇翼的特征长度L与来流风速的夹角为迎角。图 14为升力系数随迎角变化的曲线图。可以看出，相同转速或者来流速度条件下，随着迎角的增大，升力系数整体呈现增长的趋势，这与一般翼型相似。图 15为阻力系数随迎角变化的曲线图。在转速恒定或来流速度恒定的条件下，阻力系数变化量并不大，随着迎角的增大，阻力系数略微减小。迎角增大的过程中，扇翼的迎风面积先减小后增加。同时，排出的气流方向发生了改变，水平分量也随之发生变化。因而，推力是一个复杂的综合作用结果。图 16为需用功率随迎角变化的曲线图。在其他状态相同的条件下，随着迎角的增大，需用功率随之减小，升力逐渐增大，功重比大幅提升。同时，来流速度越大，功率随迎角变化的差量值越明显。
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图 14 升力系数随迎角变化的示意图 Figure 14 Lift coefficient curve changing with angle of attack |
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图 15 阻力系数随迎角变化的示意图 Figure 15 Drag coefficient curve changing with angle of attack |
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图 16 需用功率随迎角变化的示意图 Figure 16 Poewr curve changing with angle of attack |
2.4 气动特性随前缘开口角的变化
图 17为升力系数随开口角变化的曲线图。均呈现先增加后减小的规律；在来流速度较低时，开口角对升力系数的影响作用更为明显。约在40 °左右升力系数达到最大值。
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图 17 升力系数随开口角变化的示意图 Figure 17 Lift coefficient curve changing with opening angle |
图 18为阻力系数随开口角的变化曲线图。总体而言，阻力系数随着开口角的增大而增大。因为开口角的增大，意味着扇翼与气流接触面积增加，更多的气流将被吸入扇翼内部，这必然导致排出的加速气流量随之增加，排出的气流给叶片的反作用力增加，从而增加了向前的推力。
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图 18 阻力系数随开口角变化的示意图 Figure 18 Drag coefficient curve changing with opening angle |
如图 19所示，需用功率随着开口角的增大而增加。开口角增大，吸入的气流量随之增多，而气流在扇翼流场内被加速，这是一个消耗能量的过程，因此，需用功率随之增加。
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图 19 需用功率随开口角变化的示意图 Figure 19 Power curve changing with opening angle |
2.5 气动特性随叶片安装角的变化
图 20给出了升力系数随叶片安装角的变化示意图。从图中可以看出，升力系数随着安装角的变化呈现先增后减的趋势，安装角在10°时扇翼获得最大升力。
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图 20 升力系数随叶片安装角变化示意图 Figure 20 Lift coefficient curve changing with blade mounting angle |
图 21给出了1 200 r/min和20 m/s条件下，阻力系数随叶片安装角的变化示意图。从图中可以看出，随着安装角的增大，阻力系数呈现先减后增，而后再降低的趋势，基本与升力系数呈现相反的态势。
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图 21 阻力系数随叶片安装角变化示意图 Figure 21 Drag coefficient curve changing with blade mounting angle |
图 22给出了需用功率随叶片安装角的变化示意图。在来流速度较低的情况下，随着安装角的增大，需用功率逐渐降低；在来流速度较高的情况下，需用功率逐渐提高。
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图 22 需用功率随叶片安装角变化示意图 Figure 22 Power curve changing with blade mounting angle |
3 结论
本文通过对扇翼模型的风洞吹风试验，测量了不同风扇转速、来流速度、迎角、前缘开口角和叶片安装角下扇翼的升力系数、阻力系数和需用功率。通过对试验数据分析，得到了以下结论：
(1) 扇翼升力系数、阻力系数和需用功率均随着横流风扇转速的增加而增加，并随着来流速度的增加，增幅逐渐减小。
(2) 扇翼升力系数和阻力系数均随着来流速度的增大而逐渐降低，并随着横流风扇转速的提高，减幅逐渐增大，而需用功率随着来流速度和横流风扇转速的增加而增大。
(3) 扇翼升力系数随着迎角的增加而逐渐增大，而阻力系数的变化不是很大，相反需用功率却随之降低。
(4) 扇翼开口角过大将导致升力系数减小，不同的来流速度下，升力系数也随开口角的不同而变化，相反，阻力系数和需用功率随着开口角的增大呈现明显的递增趋势。
(5) 横流风扇的叶片安装角对升力系数和阻力系数几乎呈现相反的趋势，安装角为10°时，升力系数最大，阻力系数最低。
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