微型共轴双桨涵道风扇系统的复杂流动特性及增升机理研究

The current researches showed that putting a contra-rotating rotor into a shroud with a cross-section profile of an airfoil can effectively improve the hover performance of the lift systems at low Reynolds number. As a new lift system configuration, currently there is no systematic understanding on the complicate fluid characteristics and lift-enhancement mechanism of a shrouded double rotor system at low Reynolds number, the experimentally research on fluid interactions among components of such system is vacant. This research will combine the theoretical analyses, numerical simulations with experimental tests to study fluid characteristics, the interaction mechanism among different components and the impacting mechanism of the shroud. First, by introducing the impact factors of the shroud and applying the classic blade element/ vortex theory, the theoretical analysis model of the shrouded double rotor will be built to preliminarily predict the shroud effects; Secondly, combined the numerical computation and experimental methods, the detailed analysis will be made on the inflow, the blade tip flow, the wake between rotors and the nozzle flow. The influence on the system performance of every design parameter will be obtained and quantified; Thirdly, the transient fluids of an open contra-rotating rotor and a shrouded single rotor configurations will be compared，the interaction mechanism of the shroud to the fluid can be further deeply understood. This research aims to further clear the complicate fluid mechanism and lift-enhancement mechanism of the shrouded double rotor system, and provide the theoretical support for the design and optimization of the shrouded double rotor system.

现有研究表明将对转螺旋桨置于环翼型涵道内能有效提升低雷诺数下升力系统的悬停性能。作为一种新颖的升力系统结构，目前对低雷诺数下涵道双桨系统内复杂的流动机制及其增升机理的认识还不全面，尚缺乏对此类系统各部件间流场相互干扰机制的实验研究。本研究拟结合理论、数值计算和实验方法，对低雷诺数下共轴双桨涵道风扇系统内复杂流动特性、各部件相互作用机制及涵道的影响机理开展系统研究。首先，引入涵道体对流场的影响因素，结合叶素/涡流理论，建立准确的涵道双桨系统理论分析模型，初步预估涵道的影响；其次，结合数值计算和实验测量，详细地探索涵道双桨系统入口流动、叶尖隙流、双桨间旋流及喷管尾流流动，量化各设计参数对性能的影响；再次，对比开放式对转螺旋桨以及涵道单桨的瞬态流场特性，深入理解涵道对流场的作用机制。本项目旨在明确涵道双桨升力系统的复杂流动机制及增升机理，为涵道双桨系统的设计和优化提供理论支撑。

现有研究表明涵道式共轴对转风扇系统作为一种新颖的升力系统结构应用于无人飞行器具有着显著的气动性能优势。而低雷诺数下该系统仍然面临着一系列空气动力学问题，对粘性作用非常显著的微型涵道共轴双桨的认识还不全面。本研究结合了理论分析、数值计算和实验测量方法，对共轴双桨涵道风扇系统的气动性能、流场结构、各部件相互作用机制以及涵道体出现所带来的增升机制开展了深入研究。获得的重要结果和关键数据如下：.（1）通过引入涵道进出口关键几何参数模拟涵道壁面对流管的约束，基于致动盘理论对应用于开放式螺旋桨的动量理论模型进行了拓展和修正。经数值修正以及实验验证的涵道双桨理论模型能够准确地预估涵道双桨系统的总体推力和功率载荷性能以及各部件的推力性能，同时能够指导一定推力设计要求下的系统关键参数的优化设计方向；.（2）建立了二维、全三维的数值计算方法和实验研究平台,提出了能够含括所有工作范围的涵道双桨各部件性能的总体性能分析方法。结合数值和实验研究，系统地获得了涵道以及双桨的各设计参数对系统性能的影响规律，并且量化了各参数的设计标准。.（3）对开放式对转螺旋桨以及涵道单桨的气动性能进行数值以及实验研究。深入揭示了涵道双桨升力系统的气动性能优势、非稳态流动特征以及各部件相互作用机制，进而最终清晰了涵道双桨升力系统的增升机理。结果表明涵道体的出现使得气流参数分布更为均匀，减少了气流在自由边界下的流管压缩，使得进入涵道式双桨系统的流体质量流率增加，其为开放式系统的65%以上。该增量使得涵道式系统的推力性能、功率载荷以及相对效率最大提升可分别达到80%，79%和60%。. 本研究所获得研究成果能为微型涵道双桨系统的性能评估提供理论依据，深化对其气动性能及增升机理的认识，为微型共轴双桨涵道风扇系统的设计和优化提供技术支撑。