分布式动力翼前飞状态动力/气动耦合特性

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28643

流体力学与飞行力学

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分布式动力翼前飞状态动力/气动耦合特性

王科雷(), 周洲, 郭佳豪, 李明浩

西北工业大学航空学院，西安 710072

收稿日期:2023-03-02 修回日期:2023-04-03 接受日期:2023-04-17 出版日期:2023-04-23 发布日期:2023-04-21
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);国防基金(2021-JCJQ-JJ-0805);陕西省自然科学基金(2022JQ-060);基础加强计划(2022-173ZD-195)

Propulsive/aerodynamic coupled characteristics of distributed-propulsion-wing during forward flight

Kelei WANG(), Zhou ZHOU, Jiahao GUO, Minghao LI

School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2023-03-02 Revised:2023-04-03 Accepted:2023-04-17 Online:2023-04-23 Published:2023-04-21
Contact: Kelei WANG E-mail:craig-wang@nwpu.edu.cn
Supported by:
Equipment Pre-Research Project(50911040803);National Defence Fund(2021-JCJQ-JJ-0805);Natural Science Foundation of Shaanxi Province(2022JQ-060);Strengthening Basic Disciplines Program(2022-173ZD-195)

摘要/Abstract

摘要：

以分布式混合电推进飞行器技术研究为背景，针对分布式动力翼在前飞状态下动力/气动耦合特性开展数值模拟及分析。首先，通过对分布式动力翼各部件进行合理拆解，结合超椭圆方程、四阶Bezier曲线、CST （Class Function/Shape Function Transformation）参数化方法等构建了分布式动力翼复杂对象的参数化模型。然后，依次对动力翼二维剖面翼型、动力翼单元翼段、分布式动力翼整体动力/气动耦合特性进行了数值研究，并与常规翼型-机翼进行了对比分析。最后，梳理了分布式动力翼内外流耦合与其二维-单元-整体特性之间的内在联系，提出了关于分布式动力翼动力/气动耦合设计思路的建议。

关键词: 分布式混合电推进飞行器, 分布式动力翼, 参数化模型, 动力/气动耦合特性, 前飞状态

Abstract:

Based on the distributed hybrid electric propulsion aircraft technology， we conducted numerical simulation and analysis on propulsive/aerodynamic coupled characteristics of the Distributed-Propulsion-Wing （DPW） during forward flight. Firstly， the parametric model of the DPW was constructed in the component dismantling way by using the super-elliptic equation， the fourth-order Bezier curve， and the Class Function/Shape Function Transformation （CST） arameterization method. Secondly， the numerical analysis on propulsive/aerodynamic coupled characteristics of the DPW sectional airfoil， the unit DPW section， and the whole DPW was carried out in sequence， and comparison with the conventional airfoil-wing performance parameterization. Finally， the internal relationships between the internal and external flow coupling effect and the section-wing performance similar to airfoil-wing were discussed， and suggestions on the propulsion/ aerodynamic integrated design of DPW were presented.

Key words: distributed hybrid electric propulsion aircraft, distributed-propulsion-wing, parametric model, propulsive/aerodynamic coupled characteristics, forward flight

中图分类号:

V211

王科雷, 周洲, 郭佳豪, 李明浩. 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): 128643-128643.

Kelei WANG, Zhou ZHOU, Jiahao GUO, Minghao LI. Propulsive/aerodynamic coupled characteristics of distributed-propulsion-wing during forward flight[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(2): 128643-128643.

图/表 28

图 1

图 2

图 3

表 1

分布式动力翼模型参数定义

部件	变量	含义
全模型	c=l_in+l_hd+l_out	弦长
	b=12b_in=12b_out	展长
	AR=b/c	展弦比
进气道	b_in	“方-圆”进气道进口宽度
	h_in	“方-圆”进气道进口高度
	l_in	“方-圆”进气道长度
	p₂、p₃、p₈、p₉、p₁₃、p₁₄、p₁₈、p₁₉	“方-圆”进气道曲面控制变量
排气道	b_out	“圆-方”排气道出口宽度
	h_out	“圆-方”排气道出口高度
	l_out	“圆-方”排气道长度
	$p 2 $ 、 $p 3 $ 、 $p 4 $ 、 $p 8 $ 、 $p 9 $ 、 $p 13 $ 、 $p 18 $ 、 $p 19 $	“圆-方”排气道曲面控制变量
动力翼外翼面	A_u_i （i=0， 1， …， 6）	上表面控制变量
	A_l_i （i=0， 1， …， 6）	下表面控制变量
	y_Tu	上表面后缘y坐标
	y_Tl	下表面后缘y坐标
转动部件	R	涵道筒半径
转动部件	l_hd	涵道筒长度

表 1

图 4

图 5

图 6

表 2

各计算模型控制参数取值

DPW计算模型	部件	变量取值
base	全模型	c=0.2 m， b=2.04 m， AR=10.2
	进气道	b_in=0.17 m， h_in=0.17 m， l_in=0.08 m， p₂=0、p₃=1.00、p₈=0.08、p₉=0.16、p₁₃=0、p₁₄=0、p₁₈=0.10、p₁₉=0.20
	排气道	b_out=0.17 m， h_out=0.17 m，l_out=0.08 m， $p 2 $ =0.40、 $p 3 $ =0.80、 $p 4 $ =0.40、 $p 8 $ =0.60、 $p 9 $ =0.25、 $p 13 $ =1.00、 $p 18 $ =0.40、 $p 19 $ =0.40
	动力翼外翼面	A_u0=A_u1=A_u2=A_u3=A_u4=A_u5=A_u6=+0.20， A_l0=A_l1=A_l2=A_l3=A_l4=A_l5=A_l6=-0.20， y_Tu=0.001 m，y_Tl=-0.001 m
	转动部件	R=0.075 m， l_hd=0.04 m
pc01	动力翼外翼面	A_u0=A_u1=A_u2=A_u3=A_u4=A_u5=A_u6=+0.25， A_l0=A_l1=A_l2=A_l3=A_l4=A_l5=A_l6=-0.15
pc02	动力翼外翼面	A_u0=A_u1=A_u2=A_u3=A_u4=A_u5=A_u6=+0.30， A_l0=A_l1=A_l2=A_l3=A_l4=A_l5=A_l6=-0.10

表 2

表 3

表 4

图 7

图 8

图 9

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

参考文献 39

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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

参数	稀疏网格	中等网格	加密网格
边界层网格层数	6
网格增长率	1.2
桨毂表面网格尺度/mm	0.5
静止-转动流域交界面网格尺度/mm	5.0
远场边界距离	500倍弦长
远场网格尺度/mm	10 000
边界层网格高度y⁺	0.5	0.2	0.05
前后缘加密网格尺度/mm	0.5	0.3	0.1
动力翼翼面网格尺度/mm	8.0	5.0	2.0
转子表面网格尺度/mm	0.8	0.5	0.2
涵道筒表面网格尺度/mm	0.8	0.5	0.2
总网格数量	3 400 000	7 200 000	18 600 000

参数	稀疏网格	中等网格	加密网格
动力翼升力/N	-0.392 7	-0.361 2	-0.353 6
动力翼阻力/N	4.674 8	3.819 3	3.798 6
转子推力/N	7.432 6	7.153 2	7.022 9
转子扭矩/（N·m）	0.726 9	0.716 3	0.713 5
计算耗时/h	12.0	16.0	43.0

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分布式动力翼前飞状态动力/气动耦合特性

Propulsive/aerodynamic coupled characteristics of distributed-propulsion-wing during forward flight

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