涵道风扇电机强迫风冷散热结构设计与实验

针对涵道风扇电机的轻量化高效散热需求,提出基于涵道风扇内部流场的强迫风冷散热方法,设计了肋片高度为3 mm、6 mm、9 mm和12 mm的四种风冷散热结构,应用工程估算和CFD方法对不同风速下散热效果进行对比分析,搭建实验平台开展地面试验验证。结果表明,在桨毂上增加散热肋片能够有效提高散热效率,壁面温升可降低至无肋片模型的74%、55%、44%、35%;对于轴向风冷,肋片能显著强化散热,但是存在温度不均的问题。工程估算和CFD方法对电机的带肋表面风冷散热分析有较好的精度,可用于涵道风扇电机的温升预示,为涵道风扇推进系统的使用提供依据。根据分析结果提出了高功率密度电机强化散热的研究方向。

涵道风扇部件耦合设计方法及初步应用

涵道风扇是未来绿色航空动力的重要发展方向,快速、准确的涵道风扇设计方法成为工程领域的迫切需求。在传统的涵道风扇设计方法中,部件间的耦合效应需要建立在完善的三维数值计算或试验数据的基础之上。而本文发展了考虑涵道风扇关键部件耦合效应的设计方法,形成了涵道风扇一体化设计手段,并以此为基础开展了涵道风扇的一体化设计及验证工作。结果表明:相比于简单叠加设计方法,耦合设计使叶片推力设计误差由15%减小到3.5%;采用部件耦合方法设计的带有扩张喷管涵道风扇和等直径喷管涵道风扇的转静叶片推力设计误差满足工程需求,确认了部件耦合的设计方法正确传递了部件间的影响关系;通过试验对设计结果进行了推力校验,试验结果与设计点的总推力误差为1.25%,证明了本文发展的耦合设计方法的准确性。

分布式电推进系统中涵道风扇耦合效应的试验与数值研究

基于分布式电驱动涵道风扇推进系统在气动性能、推进效率和鲁棒性方面具有极大应用潜力,系统中复杂的耦合效应缺乏深入研究和理解。本文应用试验与数值模拟相结合的方式研究了某分布式涵道风扇系统中推进器之间的耦合效应,分析了推进器之间耦合干涉作用的规律与机理,为推动分布式电驱动涵道风扇的飞行器工程应用提供理论基础。研究结果表明:相较于风扇的孤立型布局,分布式布局风扇进口存在速度畸变影响涵道风扇性能,导致推力降低4%;分布式布局中风扇之间的耦合效应等效于风扇两侧存在虚拟且无黏的壁面结构,该虚拟壁面结构会诱发风扇两侧的两对流向涡;机翼-风扇之间的耦合效应表现为机翼的有黏壁面结构,会诱发风扇唇口上方的流动分离以及近机翼侧的一对流向涡;在分布式布局中涵道风扇出现转速下降或失效时,仅会对邻近风扇的性能造成影响,由于边缘风扇失效只有一个邻近风扇摄取失效风扇上游的流量,而中间风扇失效有两个邻近风扇用于摄取流量,边缘风扇失效对流动的影响高于中间风扇。

电推进涵道风扇气动快速求解方法及性能分析研究

随着绿色航空发展,为了能在设计阶段快速获得涵道风扇气动性能参数和非定常流场特征,有必要开发一种高效的数值求解方法。基于小型电推进风扇内流弱可压和尾迹耗散特性,本文将转子和涵道的面元与尾迹涡粒子耦合,使用面元法求解固壁流场,使用涡量输运方程求解远场尾迹传播特征,克服了有限体积法尾迹耗散快的问题。研究表明,本文发展的面元-涡粒子耦合方法对涵道风扇叶表压力与有限体积法趋势一致,整体推力误差为7.83%,能满足工程快速预测需求。本文发展的高效非定常计算方法的尾迹计算数值耗散低,能揭示更为复杂的非定常流动现象,仿真结果显示风扇涵道对尾迹发展有明显约束,而当尾迹传播至外部时,涡量呈现出明显的收缩和对称分布特征。在计算效率方面,本文发展的耦合方法非定常计算效率高,计算相同非定常时间步耗时仅为有限体积法的1/6,具有潜在的涵道动力非定常设计应用价值。

30kW级航空电驱动涵道风扇设计与试验

为适应未来航空电气化的发展需求,研究了30kW级航空电驱动涵道风扇设计方法。涵道风扇性能设计基于航空发动机压缩部件设计流程。以推进系统总体性能为设计目标,完成了转子、流道以及短舱的气动外形设计。对各组成部件建立性能分析模型,评估全工况范围特性。涵道风扇结构设计采用风扇-电机一体化设计思想,简化连接方式的同时减少零件数。采用航空发动机结构强度分析方法,对涵道风扇各部件的应力、振动等特性进行评估分析。完成了30kW涵道风扇试制并开展地面和飞行试验研究。按照航空发动机整机试验方法,在整机试验台架完成涵道风扇地面性能试验。通过对比分析,试验结果与设计值误差在5%以内,验证了设计方法的有效性与正确性。涵道风扇配装轻型通航飞机完成了飞行试验,全系统工作正常,进一步验证了实际使用环境下涵道风扇的工作可靠性。

涵道风扇电推进系统关键应用技术探讨

涵道风扇可作为分布式电推进航空器的动力装置,具有良好的发展潜力,现阶段在涵道风扇电推进系统设计和集成应用方面面临一些技术问题。对涵道风扇电推进系统的发展现状及应用前景进行综述,以分布式电推进航空器为背景分析对涵道风扇电推进系统的技术需求,重点探讨了涵道风扇气动设计、涵道风扇与航空器翼身融合设计、电机和涵道风扇结构一体化设计、强迫风冷散热、电磁兼容设计、复杂结构精密制造等关键技术及解决途径,为涵道风扇电推进系统开发和集成应用提供参考。

分布式涵道风扇对BWB无人机气动特性的影响研究

由于分布式推进翼身融合(BWB)无人机综合性能显著,是未来航空领域飞行器发展的趋势,因此分析分布式BWB布局无人机的气动特性对于进行分布式BWB布局设计有着重大的基础意义。本文运用计算流体力学(CFD)数值模拟计算,利用混合网格技术和k-ωSST湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的方法,研究了有/无动力、涵道展向位置以及涵道间距等参数对全机在巡航状态下的气动影响。研究表明,在相同工况下,有分布式动力能够提升全机的气动特性,且外翼段是提供升力的主要方式;涵道风扇合理的间距能产生更好的诱导增升效果,表现为在小迎角下,全机升力系数随涵道间距的增加先增大而后几乎保持不变;在大迎角下,随着涵道间距的增加,全机升力系数逐渐提升,其最大增量为9.3%。以上对此类飞行器的研究分析对分布式推进BWB无人机气动布局设计具有一定的参考价值。

进气唇口构型对小型电驱式涵道风扇性能影响研究

电驱涵道风扇因其低油耗,更加符合航空绿色、高效、安全的发展目标。开展电驱动涵道风扇动力研究具有重要的工程实践意义。文章首先使用数值模拟方法对4种不同唇口构型的涵道风扇性能进行研究,并搭建动力测试平台进行验证,在回流风洞中对不同唇口构型的涵道风扇进行推力测试,研究不同唇口构型对小型电驱涵道风扇气动性能的影响。研究结果表明:不同唇口构型涵道风扇的气动差异较明显;涵道风扇唇口半径增大使涵道进气量增大进而增加涵道推力,但过大的唇口半径在较大风速(31 m/s以上)时会增加涵道风扇的风阻,在流场上表现为涵道唇口处产生漩涡结构,影响涵道风扇的气动性能;在100%油门开度、14.2 m/s风速时,相比于内敛式进气唇口,喇叭状、外扩式进气唇口构型的净推力分别提高了17.58%、12.77%;在49.3 m/s风速时,喇叭状进气唇口的风阻相比内敛式进气唇口的增加了14.85%。

涵道风扇升力系统的升阻特性试验研究

近几年出现了许多构形新颖的垂直起降无人飞行器 ,都以涵道风扇作为升力系统。为了研究涵道风扇系统的气动特性 ,尤其是在复杂流场中涵道本身的升阻特性 ,在 3 .4m× 2 .4m开口风洞中对涵道风扇进行了吹风试验。试验模型由直径 1 .5 0 m的可变距风扇系统和外径 1 .8m的圆筒状涵道组成。试验状态变量包括涵道高度、吹风速度、涵道前倾角和风扇桨距。试验结果表明 :涵道在前飞状态比悬停状态产生更大的升力 ,但这一优势却被涵道的较大阻力所排斥 ,因而涵道风扇如果用作升力系统 ,仅适用于强调悬停和低速飞行的飞行器。

涵道风扇空气动力学特性分析

涵道风扇较同样直径的孤立风扇能产生更大的升力,且风扇环括在涵道内,既可阻挡风扇气动声向外传播,又结构紧凑、安全性高。以此为升力面和飞行操纵面可构造出多种小型垂直起降无人飞行器。该类无人飞行器在前飞时,涵道处于前方来流和风扇吸流的复杂气流中,其升力、阻力和俯仰力矩对整机的配平乃至稳定控制具有决定性影响。本文对涵道风扇风洞吹风测力试验结果进行了分析研究,并进而提出:前飞时涵道阻力较大,涵道风扇若作为升力装置仅适用于强调悬停和低速飞行性能的飞行器;此外,涵道风扇式飞行器在大速度前飞时,为了实现纵向配平,整机重心垂向位置需要高于涵道阻力作用中心。

涵道风扇外形参数对气动特性的影响

以某涵道风扇为原型,从理论上分析涵道扩张角对涵道风扇气动特性的影响。运用滑移网格模型,采用三维不可压黏性Navier-Stokes控制方程,利用SST k-ω湍流模型,计算两叶桨气动特性,并与试验结果对比,验证该方法的可行性。分别计算涵道风扇在悬停状态下,3000-8500 r/min转速范围内,涵道唇口外形、扩张角和涵道高度对气动特性的影响,并对流场进行分析。椭圆形唇口的涵道风扇总拉力系数小,气动效率低;当涵道扩张角在8.2°附近时,功率系数相对最小,随着扩张角增大,在桨盘下方靠近涵道壁面附近出现气流分离;涵道拉力系数对涵道风扇高度的变化敏感度低,随着高度增加功率系数略有下降。

高速直升机涵道风扇矢量推进系统模型悬停状态的气动力测量研究

为了提高直升机的飞行速度,出现了用涵道风扇矢量推力系统取代常规的尾桨和尾翼的复合式高速直升机。然而,涵道风扇矢量推进系统各部件间相互作用很复杂,从理论上确定涵道风扇矢量推进系统的气动特性尚有相当难度,为了研究涵道风扇矢量推进系统气动特性,利用涵道风扇矢量推进系统试验模型,通过试验实测该系统在轴流状态的气动力及舵面偏角和设计参数对系统气动力的影响,得到了一些涵道风扇矢量推进系统所特有的气动现象,其结果可作为理论建模的依据。

基于模糊控制的涵道风扇无人机设计与仿真

主要目的是针对涵道风扇无人机的动力学特性,通过模糊控制理论建立模糊控制系统,设计出能很好控制涵道风扇无人机的控制器。文章研究了涵道风扇无人机的数学模型,提出了一种便于悬停作业时涵道风扇无人机模糊PID控制器的设计方法,能对PID参数进行动态整定,实现涵道风扇无人机悬停状态时水平姿态的平衡。仿真结果表明,与传统的模糊控制器设计方法相比,这种方法显示了巨大的优越性,使涵道风扇无人机有良好的控制特性,达到了较为理想的效果。

基于CATIA的涵道风扇无人机三维建模

为了更直观、更形象地对涵道风扇无人机进行动力学特性分析,清晰生动地反映出涵道风扇无人机的实体特性,使人们对涵道风扇无人机有一个具体直观的印象,在CATIA软件中建立了涵道风扇无人机的三维模型。使用了系统参数、用户参数和表格参数等方法,同时详细介绍了无人飞行器参数化建模的一般步骤。通过对CATIA的草图设计、装配设计及图像渲染等模块的使用,实现了涵道风扇无人机的三维建模,为以后的动力学、控制系统仿真打下了基础。因此,容易得出应用CATIA软件可以更好地对涵道风扇无人机进行三维建模的结论。

基于模糊逻辑方法的涵道风扇飞行器非定常气动力建模及应用

为研究涵道风扇飞行器过渡阶段飞行特性,使用CFD方法,通过叶素理论和滑移网格技术,求解涵道风扇飞行器定常状态气动力及俯仰非定常状态气动力,并计算了升降舵偏角对气动力的影响。将CFD计算数据作为训练样本,使用模糊逻辑方法建立了涵道风扇飞行器纵向非定常气动力模型,该模型考虑了涵道风扇飞行器俯仰运动时的非定常效应及气动力与发动机转速的耦合效应,对涵道风扇飞行器非定常气动力具有较高精度的描述。使用该模型求解涵道风扇飞行器六自由度方程,进行时域仿真,仿真结果表明涵道风扇飞行器高度和速度的指令跟踪性能良好,低速飞行性能良好,过渡阶段姿态稳定。

涵道风扇气动特性影响因素数值计算研究

以某涵道风扇系统模型为研究对象,基于滑移动网格技术,建立了非定常气动力计算方法,并用风洞试验对其进行了验证分析。并在此基础上计算分析了影响涵道风扇系统气动特性的黏性效应、桨-涵道间隙以及桨盘位置等因素。结果表明,黏性效应代表了桨尖和涵道之间附面层干扰的大小,考虑黏性效应能够提高气动力计算的准确性;桨-涵道间隙决定了螺旋桨影响涵道的效果,间隙越小,影响越大,在涵道产生的附加拉力越大;桨盘位置则决定了进入螺旋桨的流场品质和桨-涵道间隙,合理的位置应保证涵道截面对气流的整流效果最佳且间隙符合设计要求。

涵道风扇无人机增稳控制律设计与仿真

针对小型涵道风扇无人机本体不稳定特性,设计增稳控制律并通过仿真进行了验证。利用软件CATIA建立三维模型,并制作出实体模型。对模型进行受力分析,建立涵道风扇无人机六自由度动力学模型。在所建模型基础上,设计增稳控制律,包括姿态控制律及轨迹控制律。建立非线性仿真模型,通过Matlab/Simulink仿真对所设计的控制律有效性进行了验证。仿真结果表明,所设计的控制律达到了增加涵道风扇无人机稳定性的目的。

某陆空汽车涵道风扇有限元分析

针对在陆空汽车起降以及平飞状态的不同工况,根据螺旋桨的动量理论,计算得到涵道风扇桨叶有限元分析的边界条件.在限元软件ANSYS中建立采用层铺设计的涵道风扇桨叶有限元模型,并对涵道风扇桨叶添加边界约束条件、进行了分析计算.结果表明,该采用层铺设计的涵道风扇设计方案能够满足陆空汽车各飞行工况强度要求,为陆空汽车升力原件设计提供了可行方案.

小型涵道风扇无人机自适应解耦控制律设计

为解决小型涵道风扇式无人机俯仰通道和滚转通道之间的惯性耦合问题,采用简单自适应控制(simple a-daptive control,SAC)方法对无人机姿态角速度控制回路设计模型参考自适应控制器,使该控制回路在受到不确定扰动和参数摄动的影响下,仍能稳定跟随参考模型输出;同时对所构造参考模型进行串联前馈解耦,以使无人机跟随参考模型同步解耦,进而实现对无人机姿态角速度和自身姿态角的有效控制.仿真结果显示,该控制律能使无人机姿态稳定跟踪参考模型输出,并且有效抑制了被控对象参数摄动带来的不利影响,控制系统具有较强的自适应性和鲁棒性.

旋翼/涵道风扇共轴式无人直升机操稳特性研究

考虑旋翼下洗气流影响及涵道环括作用,将Pitt/Peter动态入流模型推广到旋翼/涵道风扇升力系统建模中,结合风扇/涵道机身组合吹风试验数据,建立了实用的旋翼/涵道风扇共轴式无人直升机全量数学模型.以据非线性模型得到的小扰动模型为基础,深入研究了旋翼/涵道风扇共轴式无人直升机不同前飞速度下的飞行动力学特性,包括稳定特性、操纵响应特性及耦合特性,并与常规布局直升机进行了对比.分析结果表明,旋翼/涵道风扇共轴式在横航向运动模态的稳定特性及操纵响应的耦合特性上具有明显区别于常规布局直升机的飞行动力学特性.所得结论与该型直升机实际飞行特性一致.