涵道风扇无人机气动性能数值模拟

论文摘要

涵道风扇无人机可垂直起降,机动性强,能够空中悬停,利于军事侦察,应用前景非常广阔。涵道风扇无人机系统以较小的前倾角前飞时,?它处于前方来流和螺旋桨吸流的复合流场当中,流态较为复杂,关于其空气动力学特性的分析方法目前还没有成熟的理论分析方法。本文利用CFD方法对涵道风扇无人机的气动特性进行了比较系统的研究。首先介绍了本文所采用的数学物理模型,包括流动的基本控制方程、SIMPLE算法和湍流模型;其次,选择翼型进行了气动特性的数值模拟,给出了计算结果与已有实验数据的对比情况,验证了所用计算模型的正确性;第三,研究了气体流经涵道的流场结构,分析了来流攻角的变化对涵道气动力的影响,然后分别对孤立螺旋桨和涵道螺旋桨的气动性能和流场结构进行数值计算与分析;最后,建立了涵道风扇无人机整机的气动性能模拟方法,并对比研究了两种不同布局方式下涵道风扇无人机的气动性能,通过对各种飞行状态的模拟得到了涵道风扇无人机内部流场的详细结构和气动力数据。通过本文的研究可以得到如下重要结论:设计合理的涵道可以抑制桨尖涡流的产生,此时应将螺旋桨置于涵道内壁面凸起的顶端,桨尖尽可能的靠近涵道内壁面,将螺旋桨上方的涵道内壁面形状设计为流线型,同时尽量开阔;螺旋桨的抽吸作用使得来流弯转进入涵道,在唇口处绕流形成低压区而产生涵道升力,同时来流水平分量的叠加作用使得涵道前半部分唇口绕流强于后半部分,形成涵道俯仰力矩;将控制舵面安装于导流叶片的下方可以充分利用经导流叶片整流后相对均匀的气流,增强涵道风扇无人机的控制性能。本文的研究结果可为涵道风扇无人机的设计与研制提供支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 涵道风扇微型无人机概述
• 1.2 国内外相关研究情况综述
• 1.2.1 涵道风扇系统气动性能研究情况
• 1.2.2 CFD 方法的研究与应用情况
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 数学物理模型
• 2.1 流动控制方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 N－S 方程
• 2.2 SIMPLE 算法
• 2.2.1 SIMPLE 算法的基本思想
• 2.2.2 速度修正方程
• 2.2.3 压力修正方程
• 2.2.4 SIMPLE 算法的计算步骤
• 2.2.5 对SIMPLE 算法的讨论
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 Baldwin－Lomax 代数模型
• 2.3.2 两方程模型
• 2.4 边界条件
• 第三章 翼型气动特性数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 翼型简介
• 3.2.1 翼型工作机理
• 3.2.2 雷诺数及其对翼型气动性能的影响
• 3.2.3 常用翼型
• 3.3 翼型气动特性数值模拟
• 3.3.1 网格划分
• 3.3.2 计算结果
• 3.4 小结
• 第四章 涵道螺旋桨气动特性数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 涵道气动特性数值分析
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 流场分析
• 4.2.3 攻角变化对涵道气动力的影响
• 4.3 孤立螺旋桨气动性能研究
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 涵道螺旋桨气动性能研究
• 4.4.1 计算模型
• 4.4.2 流场分析
• 4.4.3 螺旋桨安装位置分析
• 4.5 小结
• 第五章 涵道风扇无人机整机气动性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 第一种结构布局流场分析
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 流场分析
• 5.3 第二种结构布局流场分析
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 流场分析
• 5.4 第一种结构布局气动力计算结果与分析
• 5.4.1 来流攻角变化计算结果与分析
• 5.4.2 来流速度变化计算结果与分析
• 5.5 第二种结构布局气动力计算结果与分析
• 5.5.1 来流攻角变化计算结果与分析
• 5.5.2 来流速度变化计算结果与分析
• 5.6 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果