半转扇翼双翼布局对气动特性的影响

Effect of Half-rotating Fan Wing Biplane Configuration on Aerodynamic Characteristics

摘要

半转扇翼是一种新型活动叶轮扇翼，通过半转扇翼双翼的合理布局可有效提高半转扇翼飞行器的气动性能。采用数值分析方法寻找不同翼型组合的气动变化规律，探索了翼间距和高度差对前后翼气动特性的影响。研究结果表明：不同翼型组合形成的气动耦合作用影响后翼偏心涡的形成与稳定，改变双翼升推力的分布；翼间距和高度差的变化对升力改变不明显，但对推力提升的效果显著；与J型单翼和C型单翼的气动力之和相比，J-C型双翼升力减小7.8%，推力增大20.6%。

Abstract

To achieve improved aerodynamic performance of the half-rotating fan-wing （HRFW）， a novel active impeller fan-wing， this paper investigates the effects of bi-wing layout optimization through numerical analysis. The aerodynamic variation patterns among different airfoil combinations are identified， and the influences of wing spacing and height difference on the aerodynamic characteristics of the front and rear wings are examined. The results indicate that the aerodynamic coupling effect formed by different airfoil combinations affects the formation and stability of the eccentric vortex behind the rear wing， and consequently alters the lift-thrust distribution of the bi-wing system. Variations in wing spacing and height difference show negligible influence on lift but significantly enhance thrust. Compared with the sum of the aerodynamic forces of the J-type and C-type single wings， the J-C bi-wing configuration yields a 7.8% reduction in lift and a 20.6% increase in thrust.

Graphical abstract

关键词

扇翼飞行器 / 半转扇翼 / 双翼布局 / 翼型组合 / 气动特性 / 数值模拟

Key words

fan-wing aircraft / half-rotating fan-wing / bi-wing layout / airfoil combination / aerodynamic characteristics / numerical simulation

0 引言

扇翼飞行器^［1］是一种利用横流风扇旋转将来流吸入风扇、加速并形成偏心涡，从而产生推力和升力的飞行装置，具有短距起飞和低速大载荷的优点^［2］。近年来，扇翼飞行器在飞行器研究领域受到越来越多的关注。目前，学者大多围绕固定叶轮的单个扇翼单元研究气动性能，通过试验研究扇翼飞行器的高升力系数^［3-4］、高功率载荷^［5］、大迎角不失速^［6-7］等特性，并进行了初步理论分析。另一方面，随着数值计算方法的日益成熟，部分学者开展了单扇翼飞行器气动性能的数值分析。DUDDEMPUDI等^［8］通过计算流体动力学（CFD）方法验证了扇翼飞行器内部偏心涡的存在。ASKARI等^［9-10］通过改变襟翼偏角提高了扇翼升力。牛中国等^［11-12］通过优化翼型来提高扇翼的气动力性能。杜思亮等^［13-14］通过改变扇翼底槽结构来控制附面层气流流动，从而改善扇翼气动性能。王孝义等^［15］设计出一种结合半转机构与扇翼飞行器的半转扇翼，研究了底槽结构对扇翼气动特性的影响，发现半转扇翼升力和推力受底槽结构影响较大。

目前，扇翼飞行器的研究聚焦于固定式叶轮、单个扇翼的气动性能提升，多扇翼气动布局的研究较少。史振海等^［16］分析扇翼前后间距、高度差和排数对气动力的影响，发现在适当间距下，双排扇翼布局可获得较高的升力。杜思亮等^［17］针对纵列式双扇翼气动布局开展了风洞试验研究，发现在一定的前后扇翼间距、高度和安装角下，纵列式双扇翼气动力比单个扇翼更具优势。当前有限的多扇翼布局研究中，鲜见通过前后翼型的合理组合实现气动增益的方案。因此，在半转扇翼的基础上，开展不同双翼组合布局及其气动性能研究，通过前后翼气动耦合有效提高升力与（或）推力，对扇翼飞行器优化设计具有重要意义。

1 半转扇翼工作原理和前后翼组合分类

1.1 半转扇翼工作原理

半转叶轮的基本单元为半转翼对，如图1所示，半转翼对由转臂MN和半转叶片1、2构成。当转臂MN绕主轴中心O以角速度ω转动时，半转叶片1、2沿相同方向以角速度ω/2转动^［18］。

半转扇翼主要由半转叶轮和底槽构成，如图2a所示。底槽结构参数主要包括叶轮偏角、前缘开口角、后缘开口角。以主轴中心O为原点，将叶轮对称轴（不动点与其轴对称点连线的延长线）与Y轴夹角θ作为叶轮偏角（顺时针旋转为正）。底槽的前缘点A和原点O的连线与X轴的夹角α为前缘开口角，底槽的后缘点B和原点O的连线与X轴的夹角β为后缘开口角。如图2b所示，叶轮旋转形成的低压偏心涡诱导底槽周围产生非对称压力分布，同时贯流从后缘高速排出对叶轮产生反作用力。半转扇翼升力F_L主要由垂直方向上的压力差形成，推力F_T则主要由水平方向上的压力差及贯流反作用力共同形成。偏心涡的形成和变化与底槽结构类型密切相关^［19］。

根据不同的前缘开口角α和后缘开口角β，半转扇翼单元体分为C型（α<β）和J型（α>β），如图3所示。C型半转扇翼具有升力大、推力小的特点，称为升力型扇翼；J型半转扇翼具有升力小、推力大特点，称为推力型扇翼。半转扇翼从C型向J型演变即α增大、β减小时，半转扇翼单元呈现升力减小、推力增大的趋势。

1.2 半转扇翼前后翼组合分类

前后翼气流的相互作用直接影响半转扇翼的气动特性，因此首先确定合适的前后翼类型组合，再通过调控翼型参数（前缘开口角α、后缘开口角β）和位置参数（前后翼的间距d、高度差h）来满足大升力和大推力的需求。

C型半转扇翼升力大、推力小，因此将前C后C组合（C-C型）作为半转扇翼基础型布局，如图4所示，扇翼模型参数如表1所示。根据前后扇翼类型，双翼布局类型分为C-J型、C-C型、J-J型和J-C型，如图5所示。

1.3 数值方法及验证

采用流体仿真软件XFlow，设定风洞环境、边界条件、半转扇翼模型、运动规律等，开展气动力仿真。为验证本文方法的准确性，利用文献［20］的实验数据，计算迎角0°，来流速度5 m/s，叶轮转速1000、1250、1500、1750、2000 r/min下的扇翼升力F_L和推力F_T，并对比F_L和F_T的计算值与实验值，如图6所示。计算值与实验值变化趋势相同且相对误差在10%以内，表明了本文数值计算方法的有效性。需要指出的是，与文献［20］类似，转速1750 r/min的推力实验值与计算值也出现较大差异，这可能源于风洞实验环境条件变动或数据采集误差导致的实验值漂移。

2 前后翼的翼型不同组合及其对气动特性的影响

2.1 基础型组合位置参数初定

如图7所示，后翼高于前翼时，高度差h>0，反之则h<0。选取翼间距d为3r~7r（r为页轮半径），h为-0.5r~0.5r，以使气动性能优良、整体布局结构紧凑。在服役条件（来流速度4 m/s、半转扇翼转速1200 r/min）下，分析双翼基础型布局的整体升力和推力变化规律。

C-C型双翼布局的气动力随位置参数的变化如图8所示。翼间距d=6r，高度差h=0.5r为C-C型扇翼推力最优的布局参数。如表2所示，C-C型双翼布局的前翼几乎不受气动耦合影响，气动力与单翼相差无几，但后翼气动力变化大。与两个单翼气动力之和相比，C-C型组合的整体升力减小9.5%，推力几乎不变。

为进一步探究图8中升推力随高度差h、翼间距d变化的机理，以h为0.5r、d为3r~7r为例进行流场分析，结果如图9所示。

（1）升力的流场分析。低压偏心涡使底槽的上下表面产生较大压力差，进而产生升力。d=3r时，双翼耦合程度较高，前翼排出气流冲击后翼，使其偏心涡强度降低，低压区呈破碎状，因此升力较小。翼间距d增大时，后翼偏心涡趋于稳定，涡强度增大，低压区逐渐扩大，升力逐步增大。

（2）推力的流场分析。叶轮内部偏心涡在水平方向形成的前后压差与底槽后缘排出的高速尾流是推力的主要来源。由图9c、图9i可得，翼间距d变化时，后翼偏心涡位置变化较大，d从4r增大到7r时，后翼偏心涡明显左移（位于叶轮中心左侧），偏心涡受贯流冲击较大，导致偏心涡在水平方向上提供的推力显著减小。翼间距d的增大使后翼尾流速度降低，故推力随翼间距变化存在较大波动。

综上所述，双翼气动耦合主要影响后翼偏心涡的形成与稳定，而对前翼偏心涡无影响，故在前后翼组合选型中，先选定前翼类型，再探究不同类型后翼的整体气动力变化，为后翼选型提供依据。

2.2 X-C型组合气动特性分析

半转扇翼的底槽结构影响扇翼的气动力分布。将前翼类型待定、后翼为C型的扇翼组合记为X-C型，前翼的前缘开口角、后缘开口角分别为α_F和β_F，后翼的前缘开口角、后缘开口角分别为α_R和β_R。为探究双翼布半转扇翼局中不同类型扇翼的气动影响，在初始布局下调整双翼底槽的结构参数，研究双翼整体气动力的变化规律，得到近优的半转扇翼双翼布局。

如图10所示，β_F不变、α_F增大时，双翼升力整体变化幅度不大；β_F≥40°时，双翼升力在α_F=70°处达到峰值。双翼推力随α_F增大呈现出先增大、后减小的趋势，并在α_F=70°后保持稳定。α_F不变、β_F增大时，双翼升力增大，推力减小。前翼为C型时，双翼升力增大但推力减小过多；前翼为J型时，双翼升力小幅增大、推力增大。

单个扇翼偏心涡随前缘开口角α的变化如图11a所示，α增大时，底槽对叶轮的包裹范围变小，贯流对叶轮的冲击变强，进入叶轮内部的贯流逐渐增加，扇翼向后排出气流的通量和速度增大，半转叶轮受到的反作用力增大、推力增大。α过大会导致进入叶轮内部的贯流增加，贯流冲击叶轮内部流场，高速气流碰撞产生高压，极大减小扇翼推力。图11b为偏心涡随扇翼后缘开口角β变化示意图，β增大意味后缘点降低，底槽下滑面行程缩短，对气流的引导作用减弱，改变排出气流方向。气流对叶片的反作用力方向发生变化，使部分推力转为升力。由2.1节可知双翼布局中的前翼气动力与单翼相同，故对单个半转扇翼而言，前缘开口角α对推力影响显著，后缘开口角β对升力影响显著，因此J型半转扇翼具备较优的推力特性，C型半转扇翼具备较优的升力特性。结合图10和上述流动机理分析得出，J型前翼（α_F=50°，β_F=40°）在提供升力的同时具备较大推力，且向后排出气流的通量大、流速高，为充分利用前翼排出气流，选择J型扇翼（α_F=50°，β_F=40°）作为前翼。

在半转扇翼中，底槽结构参数对叶轮内部偏心涡的形成与稳定起主导作用，前缘开口角过大或后缘开口角过大会导致底槽体积减小、对叶轮的覆盖面积减少、底槽承压面积减小，使得作用在底槽的力减小、叶轮受力增大，叶片更易发生形变。由上述分析得到底槽开口角不宜过大，即α+β≤120°，且α<70°，β<70°。

2.3 J-X型组合气动特性分析

J-X型双翼气动力随α_R增大的变化情况如图12所示，升力变化不明显，推力变化幅度大；β_R增大时，双翼升力增大，推力减小。来流速度4 m/s、半转扇翼转速1200 r/min下，J-X型组合的整体升力始终增大且在β_R<50°的推力大于C-C型组合的推力，因此合理搭配前后翼型有利于提高扇翼升力或推力。

α_F=50°，β_F=40°时，J-X型双翼的整体气动力变化主要由后翼翼型改变引起，且α_R和β_R引起的气动变化趋势与2.2节相同。后翼为C型时，β_R=70°的整体升力最大，且α_R=30°的推力与C-C型相近。后翼为J型时，升力提升幅度小，但推力皆大于C-C型，且α_R=70°，β_R=30°的推力最大。由此可见J-C型双翼布局适用于低速高载荷，J-J型双翼布局适合于高速低载荷。翼间距d=6r、高度差h=0.5r时，与C-C型组合相比，J-C复合型布局（α_F=50°，β_F=40°，α_R=30°，β_R=70°）的推力不变、升力增大33.6%。由于本文研究旨在增大升力，故将J-C型组合（α_F=50°，β_F=40°，α_R=30°，β_R=70°）作为气动特性研究对象。

3 J-C型双翼布局对气动特性的影响

3.1 位置参数对J-C型前后翼气动特性的影响

如图13所示，h不变、d增大时，J-C型双翼的前翼气动力基本不变，后翼升力增大、推力减小。如表3所示，前翼气动力几乎不变，后翼气动力变化较大，说明后翼受气动耦合影响大。与单翼气动力之和相比，J-C型组合整体升力减小7.8%，整体推力增大20.6%，推力耦合增益明显。

不同位置参数的双翼速度流场如图14所示，前翼内部流场几乎一致，后翼流场各不相同。对比图14a、图14b可知，d=3r时后翼流场状态受耦合气流影响最大。在前翼排出高速气流的冲击下，后翼内部流场紊乱，叶轮上方高速气流的方向杂乱无序，无法有效形成偏心涡，偏心涡强度严重削弱，导致升力减小。旋转叶轮带动下，大量气流从底槽后缘开口倾泻而出，气流通量和速度大大提高。从后翼排出气流方向看，下滑面的导流作用没有充分发挥，大量气流倾向于水平流出，这种水平方向的气流对叶轮产生向前的反作用力。随着d增大，双翼耦合作用减弱，如图14b所示，d=5r时，后翼叶轮的内部流场趋于稳定，内部高速紊流减少，环流稳定，偏心涡靠近左下方，排出气流速度降低，推力减小；前翼对后翼的气流冲击减弱，后翼下缘气流速度逐渐降低，上下流速差增大，升力增大。

对比图14a、图14c、图14e可知，前翼排出的高速气流沿下滑面排出，高度差h=-0.5r时，后翼受到严重干扰，难以形成偏心涡，随着h的增大，偏心涡逐渐形成并稳定；h=0.5r时，后翼内部形成稳定环流，叶轮上方气流分离，靠近外周的气流被叶片驱动向后缘排出，靠近中心的气流则围绕偏心涡循环流动，且偏心涡清晰可见，故随着h的增大，扇翼升力增大。对比图14b、图14d、图14f可知，d=5r时，所有后翼都能形成偏心涡，但受前翼排出气流影响，偏心涡位置不同；耦合作用下，后翼叶轮内部高速气流压迫偏心涡向左下方运动。h=-0.5r时，后翼叶轮内部的低压偏心涡贴近底槽，这是由于双翼的相对位置使前翼沿下滑面斜向下流出的高速气流对后翼产生的冲击更大，导致后翼升力减小。

综上所述，与C-C型相比，J-C型后翼升力减小的主要原因是前翼气流对后翼的下洗效应，以及后翼下缘气流速度提高导致的上下流速差减小；推力增大的主要原因是耦合气流作用下的后翼排出气流通量增大和气流速度提高。

3.2 位置参数对J-C型整体气动特性影响

J-C型双翼的整体气动力变化如图15所示，d增大时，整体升力不断增大，推力不断减小；h增大时，升力增大，推力减小；J-C型的升力始终大于C-C型，J-C型推力的在d<6r时大于C-C型。与C-C型相比，J-C型在d=5r、h=0.5r的升力增大36%、推力增大4%，故J-C型是双翼布局的较佳综合气动力方案。

双翼气流耦合对前翼流场影响较小，整体气动力的变化主要体现在后翼流场上。如图15所示，J-C型双翼的整体气动力由前后翼气流耦合作用形成，翼间距和高度差共同影响双翼的耦合效果，双翼气动耦合引起流场变化，偏心涡的运动是流场变化的直接体现。偏心涡位于叶轮下方时，上下压力差增大，升力效果好；偏心涡位于叶轮后（右）方时，前后压力差增大，推力效果好。分析位置参数对偏心涡运动的具体影响可发现，翼间距d较小、高度差h<0时，后翼受耦合气流影响的面积较大，进入后翼的贯流较多，偏心涡向后方运动的同时受贯流挤压作用向上运动，贯流冲击使偏心涡稳定性降低甚至呈现破碎状，如图14a所示，故双翼升力较小、推力较大。随着翼间距d与高度差h的增大，后翼受耦合气流冲击的影响减小，内部速度流场趋于平稳，偏心涡向右上方的偏移量减小，最终稳定于叶轮中心偏下位置。如图14e、图14f所示，后翼有稳定偏心涡形成且偏心涡相对叶轮中心逐渐下移，因此，J-C型双翼整体升力不断增大、推力不断减小。

4 结论

1）对单个半转扇翼而言，前缘开口角对推力影响显著，故J型半转扇翼推力明显较大；后缘开口角对升力影响显著，故C型半转扇翼升力明显较大。因此，通过前后翼不同翼型单元的合理搭配可有效改善双翼布局的整体升推力分布。

2）双翼气动耦合主要影响后翼偏心涡的形成与稳定，而前翼气动特性几乎不受耦合作用影响。双翼位置参数（翼间距和高度差）的改变难以增大双翼整体升力，但对双翼整体推力增大效果明显。

3）与相对应的单个扇翼气动力之和相比，J-C型双翼（α_F=50°，β_F=40°，α_R=30°，β_R=70°）在翼间距5r、高度差0.5r时，整体升力减小7.8%，整体推力增大20.6%，故J-C型是双翼布局中改善综合气动力的较佳方案。J-C型双翼布局中，耦合气流对后翼流场的影响使得后翼升力减小，但推力获得极大提升。

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