面向飞-推融合构型的分布式涵道风扇新型高效高精度动量源方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31728

流体力学与飞行力学

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

面向飞-推融合构型的分布式涵道风扇新型高效高精度动量源方法

韩凯¹, 白俊强¹^,²^,³, 冯少东⁴, 余时泷⁴, 黄俊炜⁴, 唐矗¹^,²^,³, 邱亚松¹^,²^,³()

^1.西北工业大学无人系统技术研究院，西安 710072
^2.无人飞行器技术全国重点实验室，西安 710072
^3.无人机技术集成攻关大平台，西安 710072
^4.西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2024-12-30 修回日期:2025-01-16 接受日期:2025-02-25 出版日期:2025-03-13 发布日期:2025-03-06
通讯作者: 邱亚松 E-mail:qiuyasong@nwpu.edu.cn
基金资助:
中央高校基本科研业务费(G2024KY0604);山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”项目(202101120401007);西北工业大学博士论文创新基金(CX2023085)

A novel high-efficiency and high-precision momentum source method for distributed ducted fans in aero-propulsion coupling configuration

Kai HAN¹, Junqiang BAI¹^,²^,³, Shaodong FENG⁴, Shilong YU⁴, Junwei HUANG⁴, Chu TANG¹^,²^,³, Yasong QIU¹^,²^,³()

^1.Unmanned System Technology Research Institute，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.National Key Laboratory of Unmanned Aerial Vehicle Technology，Xi’an 710072，China
^3.Integrated Research and Development Platform of Unmanned Aerial Vehicle Technology，Xi’an 710072，China
^4.School of Aeronautic，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2024-12-30 Revised:2025-01-16 Accepted:2025-02-25 Online:2025-03-13 Published:2025-03-06
Contact: Yasong QIU E-mail:qiuyasong@nwpu.edu.cn
Supported by:
Fundamental Research Funds for the Central Universities(G2024KY0604);Shanxi Province Science and Technology Major Project “Unveiling the List and Leading the Team”(202101120401007);Northwestern Polytechnical University Doctoral Dissertation Innovation Fund(CX2023085)

摘要/Abstract

摘要：

由于分布式涵道风扇-机翼融合构型存在复杂的气动耦合效应，准确高效地求解其气动特性一直是具有挑战性的任务。因此，提出了一种基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，并充分考虑多部件气动-推进耦合效应的分布式涵道风扇新型动量源方法。该方法通过简化风扇动静叶的流场计算，大幅提高计算效率。同时准确捕捉机翼边界层黏性效应、进气道加速效应及排气道尾迹等部件耦合影响，从而准确预测机翼、进气道和排气道等部件的气动性能。该方法中，首先采用多重参考坐标系（MRF）方法求解RANS方程获得准定常流场，然后提取风扇前后交界面处的三方向速度、湍动能和湍流涡耗散率信息，并将其作为边界条件施加于无风扇构型，以模拟涵道风扇的动力效应。在单涵道风扇-翼段融合构型测试中，该方法在4°迎角下提取的流场信息可准确预测16°迎角范围内的同构型气动性能及不同翼型构型下的气动性能。与MRF方法相比，在2°~16°迎角下，计算的升力系数相对误差<2%，阻力系数相对误差<4.5%，计算精度优于传统动量源方法，并减少计算核时超过90%。在分布式涵道风扇-机翼融合构型测试中，该方法同样表现出较高精度与显著的效率优势，为分布式涵道风扇构型的气动性能预测提供了高效、可靠的工具。

关键词: 飞-推融合构型, 涵道风扇, 气动性能, 动量源方法, 高效高精度

Abstract:

The distributed ducted fan-wing integration configuration presents a challenging aerodynamic problem due to its complex aerodynamic coupling effects， making accurate and efficient aerodynamic performance predictions difficult. Therefore， this paper proposes a novel momentum source method for the distributed ducted fan， based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes （RANS） equations， which fully accounts for the multi-component aerodynamic-propulsion coupling effects. By simplifying the flow field calculation of the fan’s rotor and stator blades， this method significantly improves computational efficiency while accurately capturing the coupling effects of the wing boundary layer viscous effects， intake acceleration effects， and exhaust wake； thereby， providing precise predictions of the aerodynamic performance for the wing， intake， and exhaust. Specifically， in this method， the RANS equations are solved using the Multiple Reference Frame （MRF） approach to obtain a quasi-steady flow field. Then， the three-directional velocity， turbulent kinetic energy， and turbulence eddy dissipation at the fan’s front and rear interfaces are extracted and imposed as boundary conditions to the fan-less configuration to simulate the propulsion effects of the ducted fan. In the single ducted fan-wing section coupling configuration test， the flow field information extracted at a 4° angle of attack can accurately predict the aerodynamic performance of the same configuration within a 16° angle of attack range， as well as the aerodynamic performance of different airfoil configurations. Compared with the MRF method， the proposed method shows a relative error in lift coefficient of less than 2% and in drag coefficient of less than 4.5% in the 2°-16° angle of attack range， demonstrating superior accuracy over traditional momentum source methods while reducing computational cost by more than 90%. In the distributed ducted fan-wing coupling configuration test， this method also demonstrates high accuracy and significant efficiency advantages， providing an efficient and reliable tool for aerodynamic performance prediction of distributed ducted fan configurations.

Key words: aero-propulsion coupling configuration, ducted fan, aerodynamic performance, momentum source method, high-efficiency and high-precision

中图分类号:

V228.5

韩凯, 白俊强, 冯少东, 余时泷, 黄俊炜, 唐矗, 邱亚松. 面向飞-推融合构型的分布式涵道风扇新型高效高精度动量源方法[J]. 航空学报, 2025, 46(17): 131728.

Kai HAN, Junqiang BAI, Shaodong FENG, Shilong YU, Junwei HUANG, Chu TANG, Yasong QIU. A novel high-efficiency and high-precision momentum source method for distributed ducted fans in aero-propulsion coupling configuration[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(17): 131728.

图/表 33

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

表 1

表 2

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

图28

图 29

表 3

表 4

参考文献 29

[1]	邓景辉. 电动垂直起降飞行器的技术现状与发展［J］. 航空学报， 2024， 45（5）： 529937.
	DENG J H. Technical status and development of electric vertical take-off and landing aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（5）： 529937 （in Chinese）.
[2]	孙侠生，程文渊，穆作栋，等. 电动飞机发展白皮书［J］. 航空科学技术， 2019， 30（11）： 1-7.
	SUN Xiasheng， CHENG W Y， MU Z D， et al. White paper on the development of electric aircraft［J］. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（11）： 1-7 （in Chinese）.
[3]	AKTURK A， CAMCI C. Tip clearance investigation of a ducted fan used in VTOL unmanned aerial vehicles—Part Ⅰ： Baseline experiments and computational validation［J］. Journal of Turbomachinery， 2014， 136（2）： 021004.
[4]	KIM H D， PERRY A T， ANSELL P J. A review of distributed electric propulsion concepts for air vehicle technology［C］∥2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium. Reston： AIAA， 2018.
[5]	PERRY A T， ANSELL P J， KERHO M F. Aero-propulsive and propulsor cross-coupling effects on a distributed propulsion system［J］. Journal of Aircraft， 2018， 55（6）： 2414-2426.
[6]	HIRONO F C， MARTINEZ A T， ELLIOTT A， et al. Aeroacoustic design and optimisation of an all-electric ducted fan propulsion module for low-noise impact［C］∥28th AIAA/CEAS Aeroacoustics 2022 Conference. Reston： AIAA， 2022.
[7]	LIOU M F， GRONSTAL D， KIM H J， et al. Aerodynamic design of the hybrid wing body with nacelle： N3-X propulsion-airframe configuration［C］∥34th AIAA Applied Aerodynamics Conference. Reston： AIAA， 2016.
[8]	SWAMINATHAN N， REDDY S R P， RAJASHEKARA K， et al. Flying cars and eVTOLs： technology advancements， powertrain architectures， and design［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2022， 8（4）： 4105-4117.
[9]	SCHMOLLGRUBER P， DONJAT D， RIDEL M， et al. Multidisciplinary design and performance of the ONERA hybrid electric distributed propulsion concept （DRAGON）［C］∥AIAA Scitech 2020 Forum. Reston： AIAA， 2020.
[10]	BACCHINI A， CESTINO E. Electric VTOL configurations comparison［J］. Aerospace， 2019， 6（3）： 26.
[11]	钱仲焱，白俊强，邱亚松，等. 集成有分布式涵道风扇的机翼和电动飞机： CN115489716A［P］. 2022-12-20.
	QIAN Z Y， BAI J Q， QIU Y S， et al. Integrated distributed ducted fan wing and electric aircraft： CN115489716A［P］. 2022-12-20.
[12]	达兴亚，李永红，熊能，等. 翼身融合运输机分布式电推进系统设计及油耗评估［J］. 航空动力学报， 2019， 34（10）： 2158-2166.
	DA X Y， LI Y H， XIONG N， et al. Distributed electrical propulsion system design and fuel consumption evaluation for a blended-wing-body transport［J］. Journal of Aerospace Power， 2019， 34（10）： 2158-2166 （in Chinese）.
[13]	DE VRIES R. Hybrid-electric aircraft with over-the-wing distributed propulsion： Aerodynamic performance and conceptual design［D］. Delft： Delft University of Technology， 2022.
[14]	王科雷，周洲，郭佳豪，等. 分布式动力翼前飞状态动力/气动耦合特性［J］. 航空学报， 2024， 45（2）： 128643.
	WANG K L， ZHOU Z， GUOJIA H， et al. Propulsive/aerodynamic coupled characteristics of distributed-propulsion-wing during forward flight［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（2）： 128643 （in Chinese）.
[15]	UPADHYAY P， ZAMAN K B M Q. Effect of incoming boundary-layer characteristics on performance of a distributed propulsion system［J］. Journal of Propulsion and Power， 2021， 37（5）： 701-712.
[16]	王海童，王掩刚，周芳，等. 基于面元法的分布式涵道推进系统进气道优化设计［J］. 推进技术， 2021， 42（11）： 2465-2473.
	WANG H T， WANG Y G， ZHOU F， et al. Optimization design of inlet for distributed ducted fan propulsion system based on panel method［J］. Journal of Propulsion Technology， 2021， 42（11）： 2465-2473 （in Chinese）.
[17]	刘乾，刘汉儒，尚珣，等. 电推进涵道风扇气动快速求解方法及性能分析研究［J］. 推进技术， 2024， 45（3）： 136-143.
	LIU Q， LIU H R， SHANG X， et al. Fast aerodynamic prediction method and performance of electrically driven duct fan［J］. Journal of Propulsion Technology， 2024， 45（3）： 136-143 （in Chinese）.
[18]	KIM H， LIOU M S. Flow simulation and optimal shape design of N3-X hybrid wing body configuration using a body force method［J］. Aerospace Science and Technology， 2017， 71： 661-674.
[19]	张阳，周洲，王科雷，等. 分布式动力系统参数对翼身融合布局无人机气动特性的影响［J］. 西北工业大学学报， 2021， 39（1）： 17-26.
	ZHANG Y， ZHOU Z， WANG K L. Influences of distributed propulsion system parameters on aerodynamic characteristics of a BLI-BWB UAV［J］. Journal of Northwestern Polytechnical University， 2021， 39（1）： 17-26. （in Chinese）.
[20]	CUI R， LI Q S， PAN T Y， et al. Streamwise-body-force-model for rapid simulation combining internal and external flow fields［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2016， 29（5）： 1205-1212.
[21]	邱奥祥，桑为民，张桐，等. 翼身融合布局飞机分布式推进边界层吸入效应影响研究［J］. 力学学报， 2024， 56（8）： 2448-2467.
	QIU A X， SANG W M， ZHANG T， et al. Research on the effect of boundary layer ingestion of blended-wing-body aircraft with distributed propulsion［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2024， 56（8）： 2448-2467 （in Chinese）.
[22]	徐诸霖，达兴亚，范召林，等. 一种适用于进气道/风扇一体化计算的体积力模型［J］. 推进技术， 2019， 40（4）： 732-740.
	XU Z L， DA X Y， FAN Z L， et al. A body force model for the computation of inlet and fan integration［J］. Journal of Propulsion Technology， 2019， 40（4）： 732-740 （in Chinese）.
[23]	MENTER F. Zonal two equation k-w turbulence models for aerodynamic flows［C］∥23rd Fluid Dynamics， Plasmadynamics， and Lasers Conference. Reston： AIAA， 1993.
[24]	金奕星. 螺旋桨滑流的转/静交界面数值模拟方法研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2015： 45-61.
	JIN Y X. Study on numerical simulation method of rotating/static interface of propeller slipstream［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2015： 45-61 （in Chinese）.
[25]	DOGRUOZ M B， SHANKARAN G. Computations with the multiple reference frame technique： Flow and temperature fields downstream of an axial fan［J］. Numerical Heat Transfer， Part A： Applications， 2017， 71（5）： 488-510.
[26]	SILVA P A S F， TSOUTSANIS P， ANTONIADIS A F. Simple multiple reference frame for high-order solution of hovering rotors with and without ground effect［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 111： 106518.
[27]	韩凯，白俊强，邱亚松，等. 涵道螺旋桨设计变量的影响及其流动机理［J］. 航空学报， 2022， 43（7）： 125466.
	HAN K， BAI J Q， QIU Y S， et al. Aerodynamic performance and flow mechanism of ducted propeller with different design variables［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（7）： 125466 （in Chinese）.
[28]	王海童. 分布式升力系统优化设计及试验研究［D］. 西安：西北工业大学， 2021： 51-53.
	WANG H T. Optimal design and experimental study of distributed lift system［D］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University， 2021： 51-53 （in Chinese）.
[29]	LENG Y C， YOO H， JARDIN T， et al. Aerodynamic modeling of propeller forces and moments at high angle of incidence［C］∥AIAA Scitech 2019 Forum. Reston： AIAA， 2019.

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

风扇序号	推力/N	质量流量/（kg·s^-1）	推进效率/%
1	13.763	0.954	60.0
2	12.795	0.969	57.4
3	12.790	0.969	57.5
4	12.856	0.968	57.6
5	13.786	0.954	61.8

面向飞-推融合构型的分布式涵道风扇新型高效高精度动量源方法

A novel high-efficiency and high-precision momentum source method for distributed ducted fans in aero-propulsion coupling configuration

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 33

参考文献 29

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王科雷, 周洲, 李明浩. 动力翼单元松耦合设计方法研究及试验验证[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 212-229.
[2]	李卓远, 杨旭东, 孙恺, 熊俊辉, 史帅. 分布式涵道风扇气动布局复杂强干扰效应及性能影响[J]. 航空学报, 2025, 46(3): 130805-130805.
[3]	楼锦华, 陈荣钱, 柳家齐, 鲍越, 吴昊, 尤延铖. 基于门控扩散模型的飞行器气动性能预测与反设计[J]. 航空学报, 2025, 46(10): 631183-631183.
[4]	林杰, 唐志共, 钱炜祺, 王岳青, 张鹏, 徐炜遐, 刘杰. 飞行器生成式模型气动设计研究进展与展望[J]. 航空学报, 2025, 46(10): 631679-631679.
[5]	张卫国, 唐敏, 武杰, 彭先敏, 章贵川, 聂博文, 王亮权, 李超群. 倾转旋翼机风洞试验综述[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 530114-530114.
[6]	黄维康, 张卓然, 达兴亚, 袁培博, 高华敏. 高速对转涵道风扇双驱动电机的热特性[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 129048-129048.
[7]	庄皓琬, 曹传军, 王琰, 滕金芳, 朱铭敏, 羌晓青. 基于NIPC的非轴对称安装角不确定性分析[J]. 航空学报, 2024, 45(19): 630145-630145.
[8]	余军杨, 傅文广, 孙鹏, 张韬, 王春雪, 赵伟. 进气畸变条件下非轴对称风扇设计及扩稳机理[J]. 航空学报, 2024, 45(16): 129725-129725.
[9]	张定华, 何智伟, 张学宝, 罗明. 叶片多尺度表面对压气机气动性能影响及其高性能制造研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 629642-629642.
[10]	农历, 盛子帅, 冼军, 张怀宝. 基于高精度算法的结冰翼型分离流动数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729291-729291.
[11]	王浩浩, 高丽敏, 杨光, 吴宝海. 一种鲁棒的数据驱动不确定性量化方法及在压气机叶栅中的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(17): 128169-128169.
[12]	李秋琳, 周莉, 孙鹏, 史经纬, 王占学. 出口宽高比对S弯喷管流固耦合特性影响[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 628204-628204.
[13]	孙志坤, 史志伟, 张伟麟, 李铮, 孙琪杰. 等离子体激励器对高速翼型升阻特性的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(S2): 23-39.
[14]	安利平, 王昊, 王掩刚, 朱自环. 跨声速压气机湿压缩性能及流动特性[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 126024-126024.
[15]	张星雨, 高正红, 雷涛, 闵志豪, 李伟林, 张晓斌. 分布式电推进飞机气动-推进耦合特性地面试验[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 125389-125389.