馮旭碧，朱清華，雷良，黃杰

(南京航空航天大學 直升機旋翼動力學國家級重點實驗室，南京 210016)

0 引 言

擺線槳是一種新型的全向矢量推力裝置，由于具有操縱性能好、氣動效率高和噪音低的優(yōu)點，將其作為未來垂直起降飛行器、高空長航時無人機、飛艇和艦船等諸多領(lǐng)域的推進/升力系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景[1-3]。而設(shè)計參數(shù)的選擇和氣動性能是影響擺線槳應(yīng)用前景的關(guān)鍵因素，雖然國內(nèi)外已經(jīng)對擺線槳開展了相關(guān)研究，但關(guān)于氣動參數(shù)特性研究的文獻并不多，甚至由于試驗或測量誤差的原因，不同文獻中得出不同的結(jié)論。例如文獻[4]和[5]均通過試驗研究了半徑的影響，但前者指出相同弦長時氣動力隨半徑的變化不大，而后者表明半徑越大氣動力越大。同時，文獻[6]以功率載荷為參照，對翼型厚度、俯仰軸位置及最大俯仰角等部分設(shè)計參數(shù)進行了分析，而對半徑和弦長等參數(shù)未進行研究，并且沒有研究參數(shù)影響的耦合作用。

本文首先研究與實度相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，將半徑、弦長和槳葉數(shù)歸納為實度的影響，總結(jié)實度與單位面積上槳葉載荷的關(guān)系，然后分析擺線槳相互之間的氣動干擾特性，國內(nèi)外學者還未對這方面進行過研究。

1 建模計算

1.1 擺線槳原理

擺線槳主要由支架、偏心控制機構(gòu)及兩片以上的槳葉等構(gòu)成，其三維原理圖如圖1所示，槳葉展向與旋轉(zhuǎn)軸平行，槳葉在繞轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)的同時，槳葉繞變距軸做俯仰振蕩[1]。槳葉槳距角隨方位角的變化，槳葉在底部和頂部時都產(chǎn)生正升力如圖2所示，可以通過改變槳距角幅值或轉(zhuǎn)速控制力的大小，改變偏心裝置的相位角控制力的方向。

圖1 擺線槳原理圖

圖2 槳距角隨方位角的變化

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

采用Fluent的非定常數(shù)值模擬模塊，分析擺線槳的氣動機理和槳葉間干擾。因為擺線槳槳葉為直槳葉，槳葉展向的形狀和運動規(guī)律幾乎一致，所以展向流場變化較小，考慮到計算量和計算時間的效益，將擺線槳簡化為二維網(wǎng)格進行數(shù)值模擬。

擺線槳二維網(wǎng)格示意圖如圖3所示，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)[7-8]，將計算域劃分為：外部靜止域、旋轉(zhuǎn)域和包含槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，為了更好捕捉槳葉附近的流場細節(jié)，在槳葉周圍添加邊界層網(wǎng)格。本文采用適合于求解低速不可壓縮流動的壓力基求解器，文獻[10]表明采用S-A模型和SST均可較好的計算擺線槳的升力，但前者對功率的計算更準確，因此本文選取S-A模型。槳葉槳距角的變化規(guī)律以正弦函數(shù)近似描述，通過用戶自定義函數(shù)(UDF)中的DEFINE_ZONE_MOTION宏實現(xiàn)。

(a) 全局網(wǎng)絡(luò)

(a) 局部網(wǎng)絡(luò)

(a) 附面層網(wǎng)絡(luò)

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

對于非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，需要確定所用網(wǎng)格數(shù)與結(jié)果之間的無關(guān)聯(lián)性，即網(wǎng)格無關(guān)性驗證，本文主要探討計算結(jié)果中豎直拉力的無關(guān)性檢驗。對A，B，C三種網(wǎng)格數(shù)量進行無關(guān)性檢驗，得出的結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

從表1可以看出：網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果具有極大影響，網(wǎng)格數(shù)量低于4.3萬時，計算結(jié)果與試驗值有較大誤差，而當網(wǎng)格數(shù)數(shù)量超過6萬時，模擬結(jié)果變化差異不大。

1.4 數(shù)值模擬方法驗證

為了檢驗本文CFD數(shù)值模擬方法的有效性，以韓國首爾大學的擺線槳靜拉力試驗為算例[6]，該試驗中擺線槳的設(shè)計參數(shù)為：半徑R為0.4 m，弦長c為0.15 m，展長b為0.8 m，最大俯仰角為25°，采用NACA0012翼型。通過CFD計算所得擺線槳的速度云圖和速度流線圖分別如圖4和圖5所示，CFD拉力計算值與試驗值的對比曲線如圖6所示。

圖4 擺線槳速度云圖

圖5 擺線槳流線圖

圖6 拉力計算值與實驗值對比(Nb=6)

從圖6可以看出：二維數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值吻合較好。因此，采用二維非定常數(shù)值模擬方法研究擺線槳的氣動特性和參數(shù)影響是可行的。

2 氣動參數(shù)特性研究

為了更清楚觀察實度對氣動性能的影響規(guī)律，相關(guān)的設(shè)計參數(shù)主要包括半徑、弦長和槳葉數(shù)。擺線槳氣動力系數(shù)以無量綱形式表示為[11]：

(1)

擺線槳實度表示為：

(2)

式中：T為擺線槳產(chǎn)生的氣動力；Ω為角速度；b為擺線槳展長；d為直徑；R為半徑；Nb為槳葉片數(shù)；c為槳葉弦長。

2.1 半徑影響

擺線槳不同半徑時豎直拉力隨轉(zhuǎn)速的變化如圖7所示。

圖7 不同半徑下拉力隨轉(zhuǎn)速變化曲線(Nb=6)

從圖7可以看出：半徑越大，豎直拉力越大，且半徑越大，豎直拉力增加越明顯。槳葉單位面積上載荷(CT/σ)隨轉(zhuǎn)速的變化如圖8所示。

圖8 不同半徑下CT/σ隨轉(zhuǎn)速變化曲線(Nb=6)

從圖8可以看出：與拉力變化一致，半徑越大，槳葉單位面積上載荷越大。

2.2 弦長影響

選取半徑為0.5 m，弦長分別為0.10 m，0.15 m和0.20 m的擺線槳為研究對象，研究槳葉間的干擾特性如圖9～圖10所示。從圖9和10中對比看出：雖然擺線槳產(chǎn)生的拉力隨弦長的增加而增加，但是槳葉單位面積上的載荷反而減小。且由于弦長越大，槳葉間干擾增加，豎直拉力增加效果越不明顯。

圖9 不同弦長下拉力隨轉(zhuǎn)速變化曲線(Nb=6)

圖10 不同弦長下CT/σ隨轉(zhuǎn)速變化曲線(Nb=6)

2.3 槳葉數(shù)影響

相同半徑和弦長時，槳葉片數(shù)對擺線槳氣動性能的影響如圖11～圖12所示。

圖11 不同槳葉數(shù)下拉力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖12 不同槳葉數(shù)下CT/σ隨轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖11～圖12可以看出：相同條件下，4葉片產(chǎn)生的拉力最大，且在較高轉(zhuǎn)速時，拉力明顯高于6葉片，而圖12表明單葉片的槳葉載荷最高，3葉片、4葉片和6葉片依次減小，這可能是由于槳葉數(shù)增加，槳葉間干擾增強造成的。槳葉載荷的對比如表2所示。

表2 槳葉數(shù)對槳葉載荷的影響

槳葉數(shù)對周期氣動力的影響如圖13～圖14所示，可以發(fā)現(xiàn)槳葉數(shù)對擺線槳的氣動力影響較大[12]，主要影響區(qū)域是方位角30°～150°和240°～300°。

圖13 不同槳葉數(shù)法向力對比

圖14 不同槳葉數(shù)切向力對比

擺線槳產(chǎn)生的合力隨實度和轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系如表3所示。

表3 合力方向隨實度及轉(zhuǎn)速變化對比

從表3可以看出：擺線槳的轉(zhuǎn)速和實度都會影響合力的方向。對單個擺線槳而言，轉(zhuǎn)速和實度越大，合力與豎直方向的夾角越小。

3 雙擺線槳氣動特性研究

上一節(jié)中研究了單個擺線槳的氣動參數(shù)特性，本節(jié)將應(yīng)用同樣的模型和方法分析不同間隔距離時，兩個擺線槳之間的氣動干擾特性，可以作為擺線槳總體布局的依據(jù)，研究模型如圖15所示。

圖15 兩個擺線槳之間的縱向間隔距離S

當兩擺線槳間距分別為4R，5R和6R，轉(zhuǎn)速為600 rpm時，擺線槳的升力損失系數(shù)及合力方向的變化如表4所示，可以看出：隨擺線槳間距離的增大，合力偏轉(zhuǎn)角減小。不同間距時，擺線槳速度云圖和速度流線圖的對比分別如圖16～圖17所示。

表4 不同縱向間隔的升力與偏轉(zhuǎn)角比較

(a) 縱向間隔4R

(b) 縱向間隔5R

(c) 縱向間隔6R

(a) 縱向間隔4R

(b) 縱向間隔5R

(c) 縱向間隔6R

4 結(jié) 論

(1) 擺線槳半徑越大，氣動力越大，隨轉(zhuǎn)速的增加更明顯，槳葉載荷越大，槳葉間干擾越小。

(2) 雖然擺線槳產(chǎn)生的推力隨弦長的增加而增加，但是槳葉單位面積上的載荷反而減小。因此，弦長越大，槳葉間干擾越大，推力增加效果越不顯著。

(3) 相同條件下，4葉片擺線槳產(chǎn)生的氣動力比3葉片和6葉片大，而3葉片的槳葉載荷最大。

(4) 擺線槳合力的方向與轉(zhuǎn)速和實度相關(guān)，合力偏轉(zhuǎn)角分別隨轉(zhuǎn)速和實度的增大而減小。

(5) 隨著擺線槳間距離的增加，氣動力損失系數(shù)和合力偏轉(zhuǎn)角均減小。

因此，在擺線槳設(shè)計中，需要綜合考慮擺線槳關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)和擺線槳間距離對氣動性能的影響，從任務(wù)載荷需求、氣動高效性、結(jié)構(gòu)緊湊性等多方面進行考慮，進行擺線槳的參數(shù)選擇和總體布局。