尾部推进无人机双90°偏折进气道/蜗壳耦合流动特性

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28782

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

尾部推进无人机双90°偏折进气道/蜗壳耦合流动特性

郑高杰¹, 何小明¹, 李东坡²(), 谭慧俊¹, 汪昆¹, 吴祯龙¹, 王德鹏¹

^1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京　210016
^2.中航（成都）无人机系统股份有限公司，成都　610000

收稿日期:2023-03-31 修回日期:2023-04-17 接受日期:2023-07-24 出版日期:2023-08-07 发布日期:2023-08-04
通讯作者: 李东坡 E-mail:lidongpo_1990@163.com
基金资助:
国家杰出青年科学基金(12025202);民用飞机专项科研项目(MJ-2020-F-10)

Double 90° deflection inlet/volute coupling flow characteristics of tail-powered unmanned aerial vehicle

Gaojie ZHENG¹, Xiaoming HE¹, Dongpo LI²(), Huijun TAN¹, Kun WANG¹, Zhenlong WU¹, Depeng WANG¹

^1.College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 　210016，China
^2.AVIC （CHENGDU） Unmanned Aerial Vehicle System Co. ，Ltd. ，Chengdu 　610000，China

Received:2023-03-31 Revised:2023-04-17 Accepted:2023-07-24 Online:2023-08-07 Published:2023-08-04
Contact: Dongpo LI E-mail:lidongpo_1990@163.com
Supported by:
National Science Fund for Distinguished Young Scholars(12025202);Civil Airplane Technology Development Program(MJ-2020-F-10)

摘要/Abstract

摘要：

针对尾部螺旋桨推进式无人机的流道布局特点，兼顾飞行器总体气动、总体结构、雷达隐身等方面的限制因素，设计了1种具有双90°偏折特征的进气道/蜗壳流道构型，并对其在地面抽吸工况下的气动性能和内部流动特征开展了仿真与试验研究。研究表明：蜗壳出口马赫数在0.4~0.6范围内，总压恢复系数均保持在0.97以上，总压畸变小于1.30%，为此流道构型气动性能良好。然而，在进气道/蜗壳耦合流动作用下，出口截面形成了显著的旋流流动，研究范围内平均旋流强度为9.90°~11.35°，旋流角大于15°的面积占比达到了20.4%~30.6%。分析发现，进气道因流道剧烈弯曲而引起的蜗壳非均匀进气条件，是驱动蜗壳内形成强横向二次流与分离涡，进而导致出口强旋流流动的主要原因。

关键词: 双90°偏折, 进气道, 蜗壳, 旋流, 无人机（UAV）

Abstract:

An inlet/volute flow channel configuration with double 90° deflection characteristics is designed based on the inlet layout characteristics of the tail-propelled UAV， taking into account the constraints of the overall aerodynamics， overall structure， radar stealth and other aspects of the aircraft. Its aerodynamic performance and internal flow characteristics are simulated and tested under ground-based suction conditions. The results show that the Mach number at the outlet of the volute is in the range of 0.4 to 0.6， the total pressure recovery coefficient is kept above 0.97， and the value of total pressure distortion is smaller than 1.30%， demonstrating good aerodynamic performance of the inlet configuration. However， the outlet section forms a significant vortex flow under the effect of inlet/volute coupling flow. The average swirl intensity in the study range is 9.90°-11.35°， and the proportion of area with an absolute swirl angle greater than 15° reaches 20.4%-30.6%. It is found that the non-uniform inlet condition of the volute caused by the severe deflection of the inlet passage is the main reason for the formation of strong transverse secondary flow and separation vortex in the volute， thus leading to the strong swirling flow at the outlet.

Key words: double 90-degree deflection, inlet, volute, swirling flow, Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

中图分类号:

V231.2

郑高杰, 何小明, 李东坡, 谭慧俊, 汪昆, 吴祯龙, 王德鹏. 尾部推进无人机双90°偏折进气道/蜗壳耦合流动特性[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 128782-128782.

Gaojie ZHENG, Xiaoming HE, Dongpo LI, Huijun TAN, Kun WANG, Zhenlong WU, Depeng WANG. Double 90° deflection inlet/volute coupling flow characteristics of tail-powered unmanned aerial vehicle[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(4): 128782-128782.

图/表 28

图 1

图 2

图 3

表 1

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

表 2

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

参考文献 32

1	LIU L， CHEN F， LUO K， et al. Blowing-suction control in S-shaped inlet and its impact on fan-stage performance［J］. AIAA Journal， 2019， 57（9）： 3954-3968.
2	CHENG D S， TAN H J， SUN S， et al. Computational study of a high-performance submerged inlet with bleeding vortex［J］. Journal of Aircraft， 2012， 49（3）： 852-860.
3	曾丽芳，胡建新，潘定一，等. 亚声速无人机S弯进气道的多点多目标优化设计［J］. 推进技术， 2021， 42（3）： 495-504.
	ZENG L F， HU J X， PAN D Y， et al. Multi-points and multi-objective optimization design of subsonic UAV S-shaped inlet［J］. Journal of Propulsion Technology， 2021， 42（3）： 495-504 （in Chinese）.
4	BERENS T M， DELOT A L， CHEVALIER M， et al. Numerical simulations for high offset intake diffuser flows： AIAA-2014-0371［R］. Reston： AIAA， 2014.
5	CHIEREGHIN N， MACMANUS D G， SAVILL M， et al. Dynamic distortion simulations for curved aeronautical intakes ［C］. Bristol： Applied Aerodynamics Conference 2014 （RAeS）： Advanced Aero Concepts， Design and Operations， 2014.
6	REIN M， KOCH S， RUETTEN M. Experimental investigations on the influence of ingesting boundary layers into a diverterless S-duct intake： AIAA-2014-0373［R］. Reston： AIAA， 2014.
7	REIN M， KOCH S. Experimental study of boundary-layer ingestion into a diverterless S-duct intake［J］. AIAA Journal， 2015， 53（11）： 3487-3492.
8	徐诸霖，高荣钊，达兴亚. 基于五孔探针的大S弯进气道总压畸变测量与评估［J］. 实验流体力学， 2018， 32（4）： 78-86.
	XU Z L， GAO R Z， DA X Y. Assessment and measurement of total pressure distortion based on five-hole-probe for S-shaped inlet［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2018， 32（4）： 78-86 （in Chinese）.
9	BURROWS T J， GONG Z C， VUKASINOVIC B， et al. Investigation of trapped vorticity concentrations effected by hybrid actuation in an offset diffuser： AIAA-2016-0055［R］. Reston： AIAA， 2016.
10	BURROWS T J， VUKASINOVIC B， GLEZER A. Flow dynamics effected by active flow control in an offset diffuser： AIAA-2018-4024［R］. Reston： AIAA， 2018.
11	BURROWS T J， VUKASINOVIC B， GLEZER A， et al. Experimental and numerical investigation of active flow control of a serpentine diffuser［J］. AIAA Journal， 2021， 59（2）： 607-620.
12	GIL-PRIETO D， MACMANUS D G， ZACHOS P K， et al. Convoluted intake distortion measurements using stereo particle image velocimetry［J］. AIAA Journal， 2017， 55（6）： 1878-1892.
13	RUETTEN M， KOCH S， KUCKENBURG S， et al. Investigation of the flow within partially submerged scoop type air intakes： AIAA-2013-2912［R］. Reston： AIAA， 2013.
14	TANGUY G， MACMANUS D G， ZACHOS P， et al. Passive flow control study in an S-duct using stereo particle image velocimetry［J］. AIAA Journal， 2017， 55（6）： 1862-1877.
15	ZACHOS P K， MACMANUS D G， PRIETO D G， et al. Flow distortion measurements in convoluted aeroengine intakes［J］. AIAA Journal， 2016， 54（9）： 2819-2832.
16	SUN S， TAN H J， WANG C X. Submerged inlet performance enhancement using a unique bump-shaped vortex generator［J］. Journal of Propulsion and Power， 2016， 32（5）： 1275-1280.
17	SUN S， TAN H J. Flow characteristics of an ultracompact serpentine inlet with an internal bump［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2018， 31（2）： 1-11.
18	WANG K， HUANG H X， LIU L， et al. A new distortion evaluation method based on geometric association for arbitrary cross-sectional shape of inlet［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 128： 107728.
19	徐诸霖，达兴亚，范召林. 基于五孔探针的大S弯进气道旋流畸变评估［J］. 航空学报， 2017， 38（12）： 121342.
	XU Z L， DA X Y， FAN Z L. Assessment of swirl distortion of serpentine inlet based on five-hole probe［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（12）： 121342 （in Chinese）.
20	HARIHARAN C， GOVARDHAN M. Aerodynamic performance and flow characteristics of an industrial centrifugal blower volute with varied cross-sectional shapes/area ratios［J］. International Journal of Turbo & Jet-Engines， 2019， 36（1）： 89-106.
21	HARIHARAN C， GOVARDHAN M. Improving performance of an industrial centrifugal blower with parallel wall volutes［J］. Applied Thermal Engineering， 2016， 109： 53-64.
22	ZHANG H Z， YANG C， YANG C M， et al. Inlet bent torsional pipe effect on the performance and stability of a centrifugal compressor with volute［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 93： 105322.
23	YANG C， WANG Y J， TONG D， et al. Stall inception induced by the volute tongue at centrifugal compressor inlet［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2017， 231（5）： 931-940.
24	VAGNOLI S， VERSTRAETE T. URANS analysis of the effect of realistic inlet distortions on the stall inception of a centrifugal compressor［J］. Computers & Fluids， 2015， 116： 192-204.
25	ZHANG M J， ZHENG X Q. Criteria for the matching of inlet and outlet distortions in centrifugal compressors［J］. Applied Thermal Engineering， 2018， 131： 933-946.
26	国防科学技术工业委员会. 航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机进口总压畸变评定指南：［S］. 北京：国防科工军委出版发行部， 2004.
	Commission of Science， Technology and Industry for National Defense. Guidelines for evaluating total pressure distortion at the inlet of aviation turbojet and turbofan engines：［S］. Beijing： Publishing and Distribution Department of the National Defense Science， Industry and Military Commission， 2004.
27	宁乐. BLI进气道流动特性的地面模拟方法和初步实验研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2016.
	NING L. Ground-based simulation method for the flow characteristics of BLI inlet and preliminary experiment［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2016 （in Chinese）.
28	HUANG H X， TAN H J， LIN Z K， et al. Flowfield of a helicopter submerged inlet with power output shaft［J］. Acta Mechanica Sinica， 2021， 37（1）： 156-168.
29	MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications［J］. AIAA Journal， 1994， 32（8）： 1598-1605.
30	SONG K W， WANG L B. The effectiveness of secondary flow produced by vortex generators mounted on both surfaces of the fin to enhance heat transfer in a flat tube bank fin heat exchanger［J］. Journal of Heat Transfer， 2013， 135（4）： 041902.
31	S-16 Turbine Engine Inlet Flow Distortion Committee. A methodology for assessing inlet swirl distortion［M］.Warrendale： SAE International， 2022.
32	SANDWELL D T. Biharmonic spline interpolation of GEOS-3 and SEASAT altimeter data［J］. Geophysical Research Letters， 1987， 14（2）： 139-142.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

模型参数	数值
AIP外径D/mm	96.6
AIP内径d	0.3 D
入口到AIP距离L	5.2 D
入口到A₂距离L₁	0.3 D
偏距H	3.1 D
入口面积A₁	（1.05 D）²
喉道面积A₂	（0.94 D）²
进气道/蜗壳分界面	（1.35 D）²
AIP，即出口面积A₃	（0.96 D）²

Ma_AIP	EXP		CFD
Ma_AIP	σ	∆σ₀/%	σ	∆σ₀/%	S_I/（°）	η_α₁₅/%
0.264	0.991 7	0.33	0.989 9	0.53	11.35	30.6
0.376	0.986 1	0.52	0.983 2	0.73	10.25	24.2
0.480	0.979 6	0.83	0.975 1	0.94	10.21	22.8
0.606	0.973 0	1.11	0.961 8	1.21	9.90	20.4

[1]	万冰, 陈军, 白菡尘. 基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 128757-128757.
[2]	王一凡, 陈浩颖, 张海波. 面向巡航任务的自适应循环发动机进/发匹配[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128637-128637.
[3]	张恺玲, 李思怡, 段毅, 阎超. 进气道流动中SST湍流模型参数的不确定度量化[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729429-729429.
[4]	王旺, 饶彩燕, 徐聪, 李思怡, 段毅, 张健. 激光能量沉积对超声速进气道流动的控制效果[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729424-729424.
[5]	金毅, 孙姝, 郭赟杰, 谭慧俊, 张悦. 超声速可调进气道内流双解现象及其节流特性[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 127134-127134.
[6]	李智豪, 张彪, 李健, 许传龙, 宋兆龙. 预混旋流燃烧火焰三维折射率场重建[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126480-126480.
[7]	李伟, 郭艳, 李宁, 刘存涛, 袁昊. 智能反射面辅助无人机移动边缘计算任务数据最大化方法[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 328486-328486.
[8]	王晓峰, 屈峰, 付俊杰, 王泽宇, 刘超宇, 白俊强. 基于离散伴随的高超内转式进气道气动优化设计[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 128352-128352.
[9]	倪浩伟, 刘国炎, 周毅, 张彪, 柳伟杰, 许传龙. 基于多紫外相机的旋流火焰三维锋面层析重建[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 128331-128331.
[10]	李永洲, 孙迪, 王仁华, 张堃元. 非均匀来流的马赫数可控内收缩进气道设计[J]. 航空学报, 2023, 44(12): 127857-127857.
[11]	李辉, 龙腾, 孙景亮, 徐广通. 基于自适应视线法的无人机三维航迹跟踪方法[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 326105-326105.
[12]	王翼, 徐尚成, 周芸帆, 范晓樯, 王振国. 多目标考虑下高超声速进气道唇口角参数化设计与分析[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 125698-125698.
[13]	谢晓乐, 李济源, 王娴, 鲁海峰, 韩先伟. 吸气式电推进系统进气道结构对进气性能的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 125272-125272.
[14]	罗炯, 李志宏, 陈科, 向欢. 基于嵌套网格变几何轴对称进气道非定常数值模拟[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 627028-627028.
[15]	王德鑫, 褚佑彪, 刘难生, 李祝飞, 杨基明. 高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 625754-625754.

尾部推进无人机双90°偏折进气道/蜗壳耦合流动特性

Double 90° deflection inlet/volute coupling flow characteristics of tail-powered unmanned aerial vehicle

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 28

参考文献 32

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价