涵道螺旋桨出口耦合分离机理及其仿生非光滑分离抑制研究

To minimize the tip clearance of ducted propeller in vertical take off and landing (VTOL) Vehicle costs too much structure weight, and limited by the flow separation of duct exit diffusion, the thrust Figure of Merit（FoM） in ducted propeller is difficult to improve. Based on Gas Kinetics Theory（GKT）, Mesoscopic models will be built with lattice Boltzmann method（LBM）, and integrated with large eddy simulation(LES) to research the flow field. Energy transfer and power spectrum between tip vortex and exit diffusion will be analyzed, to model the space and time connection between tip vortex and exit diffusion. The wake flow of ducted propeller especially near the inner surface of duct will be simulated by LBM-LES model, and experiment by multicomponent balance and Laser Doppler Velocimetry (LDV) will carry out. Reveal Flow separation mechanism of coupling effects from tip vortex and adverse pressure gradient will be researched, to explore the bionics non-smooth surface decoupling mechanism. Optimization of bionics surface to control the separation in case of the same size of tip clearance, which will improve the FoM and promote efficiency of ducted propeller, has great value in academic and engineering application prospects.

垂直起降飞行装备涵道螺旋桨桨尖间隙最小化所带来结构重量代价大，尾流扩散受出口附面层分离所限，影响系统拉力品质因数(FoM)提升。本项目以气体动理论为基础，通过格子Boltzmann方法建立介观尺度模型，结合大涡模拟（LES）开展流场计算，分析桨尖涡对扩散尾流的能量输运和能谱等，构建桨尖涡强度、逆压梯度对附面层分离的时空数值关联模型，探索桨尖涡--扩散逆压梯度耦合流动分离机理及其宏观特性。通过LBM-LES方法探索湍流细微结构和流动图像，结合多分力空气动力天平和激光多普勒测速(LDV)实验验证，探索仿生非光滑涵道内壁结构的介入机能，研究仿生微米级局部特征所引起涡旋扰动附面层宏观流动，探寻仿生壁面参数对耦合分离抑制的数理关系，探索耦合分离的仿生解耦最优布局。在同等桨尖间隙条件下，提升涵道螺旋桨的拉力品质因数，提高推进效能，具有很好的学术价值与工程应用前景。

本项目的研究背景是针对垂直/短距起降涵道式飞行器桨尖间隙最小化带来的加工难度大、安装精度高、结构强度与重量代价大的问题，提出了仿生非光滑涵道内壁面的结构形式。一般来说，涵道螺旋桨的桨尖间隙越小，飞行器的品质因子（FM）越高，综合气动性能越好。桨尖间隙一般在桨盘直径的百分之一以内。对于直径10英寸（330 mm）的微小型涵道飞行器，桨尖间隙需要保证在3 mm以内。桨尖处的气流速度是最高的，而桨尖间隙过小会带来加工、安装、结构设计等各方面的问题。本项目的主要研究目的是，在保证基本桨尖间隙的条件下，在涵道内壁面添加一系列的凸环，改善桨尖以及涵道内壁面附近的流场结构，达到提高飞行器气动性能的目的。.项目的主要研究内容包括：设计了凸环方案，通过CFD流场仿真、静态台架测试以及流场可视化实验，比较研究了光滑涵道与仿生非光滑涵道的气动性能与流场特征，提出合理的凸环设计方案。本项目中CFD仿真通过求解不可压缩RANS方程，利用非结构化网格，提高复杂模型的网格生成效率，通过网格收敛因子GCI进行网格无关性验证。在静态台架性能测试中，采用高精度的拉力、力矩传感器测量涵道以及螺旋桨的拉力和力矩，通过滤波算法过滤掉试验中存在的各种噪声干扰，通过误差分析可以得到试验中拉力和力矩的不确定度约为1%。.项目研究的凸环方案主要集中在凸环的位置、半径大小、凸环间距、凸环数目以及桨尖间隙的影响。通过仿真研究，凸环半径相对较小（约为0.33e，其中e为桨尖间隙）、凸环数目相对较多（5-10个）时，较大的桨尖涡可以被打碎成较小的涡，湍流强度下降，流动损失降低。在凸环方案中，凸环的位置、大小、间距以及个数对涵道飞行器的气动性能的影响都是非单调的，只有桨尖间隙对其影响是单调的。该项目研究中，最终选取第一凸环位置在x=4e，凸环半径r=0.33e，相邻凸环的圆心间距d=e，凸环个数为5-10个的涵道模型，其最终的品质因子约为0.60，相对光滑涵道的增长率约为10%。即相对于光滑涵道而言，仿生非光滑涵道可以有10%的性能提升。.本项目通过仿真计算以及相关实验验证，提出仿生非光滑涵道内壁面的设计方案，在保证基本桨尖间隙的条件下，可以进一步提升涵道螺旋桨系统的气动性能，同时，在一定的程度上可以避免要求苛刻的加工、安装、结构等问题，具有很好的学术价值与工程应用前景。