華 杰,馬震宇,李德堅(jiān),劉曉楠

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,鄭州 450000)

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串置翼太陽(yáng)能無人機(jī)氣動(dòng)特性仿真與設(shè)計(jì)*

華 杰,馬震宇,李德堅(jiān),劉曉楠

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,鄭州 450000)

國(guó)內(nèi)外試飛成功的太陽(yáng)能無人機(jī)均采用常規(guī)機(jī)翼布局。設(shè)計(jì)確定一種太陽(yáng)能螺旋槳無人機(jī)總體參數(shù),機(jī)翼采用串置翼。應(yīng)用FLUENT并基于3D粘性流場(chǎng)計(jì)算,驗(yàn)證表明串置翼比單翼具有氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)。在迎角0°和6°下,對(duì)串置翼前后翼水平及垂直相對(duì)位置60種變化組合,模擬計(jì)算組合翼型升阻特性。結(jié)果表明兩翼水平距離為5倍弦長(zhǎng)和垂直距離為0.4倍弦長(zhǎng)下,串置翼氣動(dòng)性能最佳。進(jìn)一步確定翼及副翼和舵參數(shù),制作完成縮比模型并試飛。

太陽(yáng)能無人機(jī);串置翼布局;總體參數(shù);低速氣動(dòng)性能;數(shù)值仿真;縮比試飛模型

0 引言

太陽(yáng)能無人機(jī)是利用光伏電池的零碳環(huán)保飛行器,廣泛采用大展弦比、長(zhǎng)直機(jī)翼布局,螺旋槳裝置推進(jìn),要求必須具有較高的低速飛行升阻比。Scharp對(duì)非常規(guī)串置翼直翼低雷諾數(shù)下氣動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了串置翼布局的氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)[1]。Mark對(duì)串置翼做了大量氣動(dòng)性能研究[2]。國(guó)內(nèi)李廣佳等進(jìn)行了串置翼低雷諾數(shù)氣動(dòng)特性研究[3-4],常浩等對(duì)串置翼用于飛艇進(jìn)行了氣動(dòng)研究[5]。這些研究都表明串置翼布局比單機(jī)翼具有明顯氣動(dòng)優(yōu)勢(shì),通過分配前后兩個(gè)機(jī)翼的升力可使升致誘導(dǎo)阻力明顯減小,升阻比明顯提高。在機(jī)翼參考面積和翼展等主要參數(shù)相同情況下,串置翼在氣動(dòng)性能方面提升潛力更大。

目前在國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能無人機(jī)試飛成功的試驗(yàn)機(jī)中,機(jī)翼仍然都是采用常規(guī)氣動(dòng)布局,如瑞士的“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”、國(guó)內(nèi)的綠色先鋒號(hào)及全國(guó)科研類航空航天錦標(biāo)賽中的太陽(yáng)能飛機(jī)等。以全國(guó)科研類航空航天錦標(biāo)賽對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)重量的要求為限制,設(shè)計(jì)確定一種太陽(yáng)能螺旋槳?jiǎng)恿o人機(jī)方案總體參數(shù),機(jī)翼采用非常規(guī)串置翼布局形式。首先對(duì)串置翼與單翼的升阻特性進(jìn)行計(jì)算比較,然后對(duì)串置翼前后翼水平相對(duì)位置和垂直相對(duì)位置不同組合條件下二維流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析,最后進(jìn)一步確定串置翼及其副翼和方向舵的布局參數(shù),并制作串置翼無人機(jī)飛行測(cè)試縮比模型。

1 太陽(yáng)能串置翼無人機(jī)總體參數(shù)

太陽(yáng)能飛機(jī)白天用電池板收集并儲(chǔ)存太陽(yáng)能,晚間依靠?jī)?chǔ)能電池提供電能。太陽(yáng)能飛機(jī)維持微弱的功率平衡及相應(yīng)的能量平衡而實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行,平飛需用功率可表示為[6]:

(1)

對(duì)于一般的太陽(yáng)能飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì),通常僅考慮飛機(jī)自身的重量和功耗的平衡關(guān)系。

將飛機(jī)總體方案設(shè)計(jì)主要確定的總體參數(shù)[7]拓展用于太陽(yáng)能串置翼無人機(jī)總體方案參數(shù)的確定:

1)提出巡航速度、續(xù)航時(shí)間、任務(wù)載荷重量等設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2)以全國(guó)科研類航空航天錦標(biāo)賽對(duì)太陽(yáng)能飛機(jī)重量要求為限制,確定無人機(jī)總重。

3)選擇合適的機(jī)翼翼型,得到最大升力系數(shù)。

4)根據(jù)飛行雷諾數(shù),初步確定最佳升阻比。

5)初步確定翼載荷(此方面太陽(yáng)能飛機(jī)與滑翔機(jī)有所類似)。

通過以上過程并通過式(1),計(jì)算太陽(yáng)能無人機(jī)平飛功率。選配無刷電機(jī)并根據(jù)其功率和附加電子設(shè)備功率計(jì)算得到總功率,由此定出太陽(yáng)能電池板總面積。根據(jù)太陽(yáng)能電池板尺寸,確定直機(jī)翼弦長(zhǎng)。綜合各參數(shù)并進(jìn)行調(diào)整和修正,設(shè)計(jì)確定出太陽(yáng)能螺旋槳?jiǎng)恿ν七M(jìn)的串置翼無人機(jī)總體方案,基本參數(shù)見表1。

表1 太陽(yáng)能螺槳?jiǎng)恿Υ靡頍o人機(jī)總體參數(shù)

2 串置翼與單翼氣動(dòng)特性計(jì)算比較

2.1 計(jì)算條件

根據(jù)串置翼無人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案,假設(shè)前、后翼之間垂直相對(duì)距離分別為-1.2和1.2倍弦長(zhǎng)(后翼處于上方時(shí)垂直相對(duì)距離為負(fù)值),水平相對(duì)距離為5倍弦長(zhǎng)。為進(jìn)行比較,對(duì)于單翼布局的機(jī)翼,其面積和展長(zhǎng)與串置翼的保持一致。不考慮螺旋槳和機(jī)身作用,按標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣條件,飛行速度或相對(duì)來流速度為8.5 m/s,迎角和側(cè)滑角均為0°。

2.2 繞流控制方程

在笛卡爾直角坐標(biāo)下,對(duì)于機(jī)翼的低速定常粘性空氣繞流三維流場(chǎng),連續(xù)方程和動(dòng)量方程為[8]:

方程經(jīng)雷諾時(shí)均化處理得粘性湍流雷諾方程(RANS)。選用S-A粘湍流封閉模型,主要用于恰當(dāng)求解邊界層受粘性影響的區(qū)域,對(duì)具有層流底層的固壁湍流流動(dòng)具有較好的收斂性[9]。

(6)

2.3 流場(chǎng)計(jì)算劃分網(wǎng)格

機(jī)翼流場(chǎng)計(jì)算要求在機(jī)翼附近布置足夠密的網(wǎng)格,以準(zhǔn)確獲得阻力和升力及力矩?cái)?shù)據(jù),同時(shí)計(jì)算域也必須取得足夠大以適應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)條件[9]。為此,將流場(chǎng)計(jì)算域分為兩個(gè)區(qū):以機(jī)翼展長(zhǎng)一半的15倍為半徑做一個(gè)大圓柱體,其外表面作為計(jì)算流場(chǎng)的外界;用一個(gè)小的圓柱體包圍機(jī)翼附近流域,以在此域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密。因流場(chǎng)相對(duì)飛機(jī)縱剖面對(duì)稱,故僅計(jì)算對(duì)稱面一側(cè)半個(gè)區(qū)域流場(chǎng)。半個(gè)流域三維計(jì)算網(wǎng)格在縱對(duì)稱面上的劃分見圖1。

圖1 半個(gè)流域局部三維網(wǎng)格

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)以上串置翼兩種組合方案及單機(jī)翼布局分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,從而獲得機(jī)翼繞流壓強(qiáng)分布與升力系數(shù)CI、阻力系數(shù)Cd和升阻比k等數(shù)據(jù),主要結(jié)果見表2。

在相同機(jī)翼面積和展長(zhǎng)下,串置翼的總升力比單機(jī)翼的大5.2%,雖然總阻力比單機(jī)翼稍大,但升阻比大1.8%,串置翼氣動(dòng)性能總體優(yōu)于單機(jī)翼。采用串置翼布局方案,可以解決機(jī)翼面積、展長(zhǎng)和機(jī)翼結(jié)構(gòu)矛盾,可獲得更小的機(jī)翼幾何尺寸,氣動(dòng)性能提升空間更大。

表2 串置翼與單翼升阻特性計(jì)算結(jié)果

3 串置翼翼型氣動(dòng)特性計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型和條件

針對(duì)以上串置翼總體方案,根據(jù)二維低速粘性空氣繞流控制方程,進(jìn)行前后翼相對(duì)位置多種不同組合下流場(chǎng)及升力和阻力的仿真計(jì)算。

串置翼前后翼型的弦長(zhǎng)b相等,b=0.35 m,翼型均為FX 63-137smoothed,最大相對(duì)厚度為13.7%。前、后翼相對(duì)位置規(guī)定見圖2,水平相對(duì)距離S定義為前翼型的后緣到后翼型的前緣之間的水平距離,垂直相對(duì)距離H定義為兩翼型中點(diǎn)之間的鉛垂距離,且后翼處于上方時(shí)垂直相對(duì)距離定為負(fù)值。

設(shè)定S=b、2b、3b、4b、5b,每種S下取H分別為:-0.4b、-0.8b、-1.2b、0.4b、0.8b、1.2b,來流迎角取為0°和6°,總共60種相對(duì)位置和狀態(tài)組合情況。據(jù)此,計(jì)算分析位置和狀態(tài)參數(shù)變化對(duì)串置翼組合翼型流場(chǎng)及升阻特性的影響。

圖2 前后翼型相對(duì)位置規(guī)定

3.2 流場(chǎng)邊界和網(wǎng)格劃分

運(yùn)用分區(qū)網(wǎng)格生成技術(shù)以控制網(wǎng)格加密和網(wǎng)格數(shù)量[3]。按15倍弦長(zhǎng)構(gòu)成矩形流場(chǎng)外邊界,前和上、下3個(gè)邊界設(shè)定為速度入口邊界,后邊界設(shè)為壓力出口邊界。在比翼型弦長(zhǎng)和單位厚度稍大點(diǎn)的翼型表面附近的矩形流域內(nèi),劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并加密。前后翼型表面均為絕熱固壁且流動(dòng)黏性無滑移。速度入口來流速度為8.5 m/s,采用Simple算法,基于弦長(zhǎng)的雷諾數(shù)為2×105。圖3為前后翼型周圍流域計(jì)算網(wǎng)格。

圖3 二維流場(chǎng)計(jì)算劃分網(wǎng)格

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 垂直相對(duì)距離對(duì)氣動(dòng)性能的影響

圖4和圖5是前翼和后翼在不同水平距離下升阻比變化計(jì)算曲線。隨垂直相對(duì)距離增大,前翼型升阻比有所下降,后翼型升阻比提高。在較小水平相對(duì)距離下,垂直相對(duì)距離變化對(duì)前后翼氣動(dòng)性能影響較大。在水平相對(duì)距離較大時(shí),垂直相對(duì)距離變化對(duì)前后翼氣動(dòng)性能影響較小,垂直相對(duì)位置為正值比為相應(yīng)負(fù)值時(shí)有利于前后翼整體氣動(dòng)性能提升,這與文獻(xiàn)[3]分析結(jié)果一致。

圖4 前翼升阻比變化計(jì)算曲線(α=0°)

圖5 后翼升阻比變化計(jì)算曲線(α=0°)

3.3.2 水平相對(duì)距離對(duì)氣動(dòng)性能的影響

圖6和圖7是串置翼在不同的垂直相對(duì)距離下總升力系數(shù)和升阻比的計(jì)算曲線。在水平相對(duì)距離S的增大過程中,總升力系數(shù)呈變大的發(fā)展趨勢(shì),不同垂直相對(duì)距離H下的氣動(dòng)特性差距逐漸減小。

在S增加為較大時(shí),升阻比也呈變大的發(fā)展態(tài)勢(shì)。當(dāng)水平相對(duì)距離S達(dá)到5倍弦長(zhǎng)情況下,不同組合下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比趨于基本相同,且相對(duì)而言H=0.4b時(shí),串置翼整體具有最佳的氣動(dòng)性能。

圖6 迎角0°時(shí)串置翼總升力系數(shù)計(jì)算曲線

圖7 迎角0°時(shí)串置翼總升阻比計(jì)算曲線

表3為H=0.8b時(shí)不同水平距離下前翼和后翼的升阻系數(shù)結(jié)果。隨著水平相對(duì)距離增大,前翼升力系數(shù)變小,后翼的變大。前翼升力系數(shù)最大是后翼的1.6倍,后翼阻力系數(shù)最大是前翼的6.4倍。這說明前翼對(duì)總升力的貢獻(xiàn)較大,而后翼占總阻力的成分更大,前翼的氣動(dòng)效果比后翼的好,分析這應(yīng)緣于前翼對(duì)后翼的下洗作用及后翼對(duì)前翼的強(qiáng)上洗作用。

表3 H=0.8b時(shí)前后翼氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

數(shù)值計(jì)算結(jié)果還表明,當(dāng)飛行迎角為6°時(shí),串置翼二維升阻特性變化規(guī)律與0°迎角以上的變化規(guī)律相似。

4 串置翼無人機(jī)試飛縮比模型

4.1 模型設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能螺旋槳?jiǎng)恿Υ靡頍o人機(jī)為非常規(guī)氣動(dòng)布局,其飛行采用鴨翼控制方式,前翼上的副翼作為升降舵使用,后翼上的副翼作為滾控使用。

為保證無人機(jī)橫側(cè)向靜穩(wěn)定性,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)前翼上反角為5°,各上反段長(zhǎng)度為翼展的1/5。副翼面積相對(duì)機(jī)翼面積為5%～7%,副翼相對(duì)弦長(zhǎng)(與機(jī)翼當(dāng)?shù)叵议L(zhǎng)之比)為20%～25%,其位置從50%機(jī)翼半展長(zhǎng)處延伸至90%機(jī)翼半展長(zhǎng)處。機(jī)身上立尾面積相對(duì)機(jī)翼總面積在20%～25%,其上方向舵在弦向所占比例為20%。

依據(jù)總體參數(shù)和以上參數(shù),使用Profili翼型軟件獲得翼型二維圖,再導(dǎo)入CATIA軟件,進(jìn)行機(jī)翼和機(jī)身三維實(shí)體建模。圖8為構(gòu)建的太陽(yáng)能螺旋槳串置翼無人機(jī)3D模型。

圖8 串置翼無人機(jī)實(shí)體模型

4.2 縮比試飛模型制作

串置翼無人機(jī)設(shè)計(jì)翼展是3.5 m,考慮到實(shí)驗(yàn)條件和場(chǎng)地等因素,制作1∶2縮比試飛實(shí)物模型。

應(yīng)用CAD軟件繪制模型二維零件圖,使用激光雕刻機(jī)雕制各零件。使用保溫板和泡沫切割機(jī)制作機(jī)翼,機(jī)身采用細(xì)碳桿,采用環(huán)氧樹脂將機(jī)身與機(jī)翼通過航空層板剛性聯(lián)接。

將各塊電池板串聯(lián)焊接并連接至微型太陽(yáng)能充電器,實(shí)測(cè)太陽(yáng)能電池額定功率為74 W。因太陽(yáng)能電池板不能與機(jī)翼曲面很好貼合且易碎,故將電池板封裝于機(jī)翼內(nèi)部。機(jī)翼表面采用透明透光超輕蒙皮,可保證機(jī)翼外形和光能轉(zhuǎn)換效率。通過制作表明,串置翼布局的太陽(yáng)能飛機(jī)在太陽(yáng)電池能板鋪設(shè)面積方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖9 太陽(yáng)能螺旋槳?jiǎng)恿Υ靡頍o人機(jī)模型試飛

經(jīng)過試飛試驗(yàn),測(cè)得模型飛機(jī)的起飛滑跑距離為40 m,最大平飛速度為14 m/s,最大爬升率為0.9 m/s。圖9為太陽(yáng)能螺旋槳?jiǎng)恿Υ靡頍o人機(jī)縮比模型試飛照片。

5 結(jié)論

1)應(yīng)用常規(guī)飛機(jī)總體參數(shù)設(shè)計(jì)方法,結(jié)合重量平衡和能量平衡分析,快速設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能螺旋槳串置翼無人機(jī)總體方案。

2)數(shù)值仿真驗(yàn)證表明,在相同機(jī)翼面積和翼展條件下,串置翼的升力系數(shù)明顯高于單機(jī)翼,而且升阻比也比較大,串置翼氣動(dòng)性能總體優(yōu)于單機(jī)翼。

3)在多參數(shù)組合變化條件下,串置翼二維繞流數(shù)值模擬結(jié)果表明:在水平相對(duì)距離較大時(shí),垂直相對(duì)距離變化對(duì)前后翼氣動(dòng)性能影響較小,垂直相對(duì)位置為正值比為負(fù)值時(shí)有助于串置翼的氣動(dòng)性能提升。在水平相對(duì)距離增大過程中,串置翼總升力系數(shù)和升阻比逐漸變大。在前后翼水平相對(duì)距離設(shè)計(jì)為5倍弦長(zhǎng)、垂直相對(duì)距離為0.4倍弦長(zhǎng)的組合方案下,串置翼整體氣動(dòng)力性能相對(duì)最佳。

4)設(shè)計(jì)制作并試飛了串置翼太陽(yáng)能螺旋槳?jiǎng)恿s比模型,在太陽(yáng)能電池板鋪設(shè)面積方面串置翼布局也具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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Simulation Research on Aerodynamic Characteristics of Tandem Wing Solar Energy UAV and Model Design

HUA Jie,MA Zhenyu,LI Dejian,LIU Xiaonan

(Zhengzhou Uniuersity of Aeronautics, Zhengzhou 450000, China)

Successful test flights of solar powered unmanned aerial vehicles(UAVsat home and abroad are using conventional wing layout. The overall parameters of a kind of solar energy UAV were determined, it is propeller powered and the wing adopts unconventional tandem wing configuration. Based on FLUENT software and calculation of 3D viscous flow field, verification calculation shows the tandem wing is better than single wing in aerodynamic performance. Two-dimensional numerical simulation of low speed aerodynamic characteristic of the tandem wing was performed in sixty kinds of different relative horizontal distance and height for 0° and 6° attack angle. Through analysis on the results of lift, drag and lift-to-drag ratio, it is found that aerodynamic performance of the tandem wing is relatively best when the relative horizontal distance is 5 times the chord and relative vertical height is 0.4 times chord. Furthermore, configuration parameters of the tandem wing, aileron and rudder were determined, making 1∶2 scaled model of the tandem wing UAV and testing flight.

solar energy unmanned aerial vehicle; tandem wing configuration; general parameters; low speed aerodynamic performance; numerical simulation; scaling flight test model

2015-06-09

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201410485002);鄭州航院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金(ZHCJ20131501)資助

華杰(1993-),男,江蘇高郵人,本科,研究方向:飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)。

V279;V211.3

A