动力翼单元松耦合设计方法研究及试验验证

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31150

流体力学与飞行力学

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动力翼单元松耦合设计方法研究及试验验证

王科雷¹^,²(), 周洲¹^,², 李明浩¹^,²

^1.西北工业大学航空学院，西安 710072
^2.飞行器基础布局全国重点实验室，西安 710072

收稿日期:2024-09-04 修回日期:2024-09-30 接受日期:2024-11-04 出版日期:2024-11-08 发布日期:2024-11-07
通讯作者: 王科雷 E-mail:craig-wang@nwpu.edu.cn
基金资助:
装备预研项目(50911040803);航空科学基金(2024Z006053001)

Research and experimental validation of loose coupling design method for propulsion wing unit

Kelei WANG¹^,²(), Zhou ZHOU¹^,², Minghao LI¹^,²

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.National Key Laboratory of Aircraft Configuration Design，Xi’an 710072，China

Received:2024-09-04 Revised:2024-09-30 Accepted:2024-11-04 Online:2024-11-08 Published:2024-11-07
Contact: Kelei WANG E-mail:craig-wang@nwpu.edu.cn
Supported by:
Equipment Advanced Research Project(50911040803);Aeronautical Science Foundation of China(2024Z006053001)

摘要/Abstract

摘要：

基于分布式混合电推进飞行器先进气动布局设计技术研究背景，针对分布式动力翼推进/气动耦合问题，提出了一种面向工程约束的方形涵道风扇单元松耦合设计思路和方法。通过耦合涵道壁面影响的转子叶片设计优化和基于给定转子叶片动量源模型的涵道壁面设计优化这2个模块的耦合迭代，有效降低了设计问题复杂程度，实现兼顾方形涵道风扇单元这种多参数复杂对象的悬停特性和前飞特性的多目标设计优化。最终通过风洞测力和测压试验验证了松耦合设计思路和方法的有效性和可行性。

关键词: 分布式混合电推进飞行器, 分布式动力翼, 方形涵道风扇单元, 推进/气动耦合, 松耦合设计, 风洞试验

Abstract:

Based on the research background of advanced aerodynamic design technology of distributed hybrid electric propulsion aircraft， a loose coupling design method of rectangle ducted fan unit under engineering constraints is proposed for the propulsive/aerodynamic coupling problem of distributed propulsion wing. Through the coupling iteration of the rotor blade design optimization module influenced by the duct wall and the duct wall design optimization module based on a given rotor blade momentum source model， the complexity of the design problem is effectively reduced， and the multi-objective design optimization considering both hovering and forward flight characteristics of the rectangle ducted fan unit is achieved for this complex， multi-parameter object. Finally， the effectiveness and feasibility of the present loose coupling design method are verified through wind tunnel tests including force and pressure measurements.

Key words: distributed hybrid electric propulsion aircraft, distributed propulsion wing, rectangle ducted fan unit, propulsive/aerodynamic coupling, loose coupling design, wind tunnel test

中图分类号:

V211

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.

Kelei WANG, Zhou ZHOU, Minghao LI. Research and experimental validation of loose coupling design method for propulsion wing unit[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(9): 212.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

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表 1

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图 9

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图 12

图 13

图 14

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图 16

表 2

图 17

图 18

图 19

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图 21

图 22

图 23

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表 3

图 25

图 26

图 27

参考文献 31

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前进比	方法	迎角/（°）	螺旋桨推力系数		螺旋桨推力占比		螺旋桨扭矩系数
前进比	方法	迎角/（°）	数值	相对变化量/%	数值	相对变化量/%	数值	相对变化量/%
0.032	试验值	90	0.171 0		0.408 9
		70	0.180 1		0.415 0		0.028 3
		50	0.181 3		0.401 0		0.029 5
	MRF方法	90	0.165 7	-3.10	0.411 3	+0.59	0.029 4
		70	0.176 4	-2.05	0.422 9	+1.90	0.030 7	+8.48
		50	0.178 7	-1.43	0.423 7	+5.66	0.031 0	+5.08
	MSM	90			0.413 2	+1.05
		70			0.409 4	-1.35
		50			0.407 3	+1.57
0.401	试验值	70	0.170 2		0.393 7		0.297 8
	试验值	50	0.173 5		0.391 3		0.290 6
	MRF方法	70	0.164 4	-3.41	0.384 9	-2.24	0.294 6	-1.07
	MRF方法	50	0.166 3	-4.15	0.386 5	-1.23	0.293 5	+1.00
	MSM	70			0.361 3	-8.23
	MSM	50			0.362 0	-7.49

来流速度/ （m·s^-1）	转子转速/ （10³ r·min^-1）	迎角/ （°）	推进特性						气动特性
来流速度/ （m·s^-1）	转子转速/ （10³ r·min^-1）	迎角/ （°）	转子拉力/ N	桨毂拉力/ N	总拉力/ N	轴功率/ kW	功率载荷/ （N·Kw^-1）	转子推进效率	升力系数	阻力系数	升阻比
0	8	0	22.01		37.60	1.04	36.15
	9		28.42		48.89	1.50	32.59
	10		35.57		60.99	2.06	29.61
30	10	0	20.93	-1.22	22.01	1.46		0.40	0.042	-0.170
		2	21.94	-1.39	26.10	1.52		0.40	0.256	-0.150
		3.7	18.92	-3.51	14.85	1.30		0.36	0.801	0.062	12.90
		4	18.77	-3.32	15.35	1.33		0.35	0.908	0.066	13.76

来流速度/（m·s^-1）	模型	推进特性		气动特性
来流速度/（m·s^-1）	模型	总拉力/N	轴功率/kW	升力系数	阻力系数
10	二维计算	49.74	1.94	1.577	-3.966
	三维计算	58.10	2.16	0.376	-4.410
	三维试验	58.32	2.17	0.365
20	二维计算	31.19	1.67	1.022	-0.346
	三维计算	34.45	1.94	0.372	-0.345
	三维试验	33.59	1.91	0.352
30	二维计算	15.35	1.33	0.908	0.066
	三维计算	17.79	1.52	0.358	0.103
	三维试验	13.23	1.62	0.329

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动力翼单元松耦合设计方法研究及试验验证

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