第二十六届（2010）全国直升机年会论文横流风扇的无尾桨直升机尾梁流场CFD分析张银辉1 唐正飞1 高卓飞2(1.南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016)（2.中国人民解放军61267部队，北京通州 101114）摘 要：本文基于美国NOTAR系列直升机的尾梁设计以及横流风扇本身对气流流动控制的特点，提出了一种全新的无尾桨直升机的尾梁设计方案并进行了该尾梁的流场CFD分析本文首先使用CAD软件设计了这种内置横流风扇尾梁的几何外形，其次借助CFD软件对内置横流风扇尾梁的二维简化模型进行了流场分析以及升阻力特性的探讨关键词：无尾桨直升机；横流风扇；计算流体力学（CFD）；1 前言 麦道公司研制的无尾桨（NOTAR）系列直升机与传统的单旋翼带尾桨直升机相比，安全性高，噪音低，振动小，因此在民用和军事领域都得到了广泛的青睐它的主要原理如图所示，在引擎的驱动下，用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用形成反扭力主旋翼产生的下洗气流从尾梁两侧流经尾梁，发动机产生的压缩空气通过尾梁一侧的向下开槽喷出，促使这一侧的下洗气流向尾梁表面吸附并加速（即所谓射流效应或 Coanda 效应），形成尾梁两侧气流的速度差，产生向一侧的侧推力，实现没有尾桨的反扭力。
图1 麦道公司NOTAR系列直升机原理横流风扇（Cross-flow fan,CFF）是Mortier在1893年发明的，这种风扇的特征是它的纵向长度跟横向直径相比会很大，因此气流在离开端部时会近似地保持二维的形态，并且能够改变气流的流动方向横流风扇采用装有前倾圆弧叶片的叶轮，叶轮放置在蜗壳中横流风扇以于它的轻巧，紧凑，安静以及能够提供很高的压力系数而被广泛的应用在空调等一般工业中1979年Harloff打破了人们对于横流风扇应用的局限，提出了把横流风扇使用到航空上，进行流动控制和实现矢量推力的大胆假设，并首次基于实验的手段研究了横流风扇在较高转速下的流场特性本文结合了NOTAR系统的设计以及横流风扇的特点，设计了一种新型的无尾桨系统与NOTAR系统相比，目标是提高其效率，改善尾梁的空气动力特性，以及增加NOTAR系列直升机的机动性本文目前的研究主要是采用计算流体力学（CFD）和实验的手段来分析这种设计的可行性基于横流风扇二维的流场特性，本文首先建立了二维的几何模型，借助于CFD软件进行了流场模拟和力学特性的分析图2 传统横流风扇示意图 图3 本文设计的新型无尾桨直升机模型 图4 内置横流风扇尾梁的二维剖面2 几何建模及网格生成 几何模型如图所示，以GOE570翼型作为尾梁外形的基础，对该翼型进行了改进，内部埋入横流风扇，后缘处安装导流板，目标是用这种形式的尾梁取代NOTAR系统上的环量控制系统，通过控制横流风扇的转速来改善流动控制效果以及获得额外的矢量推力。
网格生成如图所示，基于模型内部几何形状的复杂性，在叶片、翼型以及导流板上生成四边形附面层网格来捕捉附面层流动，在流场区域生成三角形网格来捕捉流场中的流动状态，整体网格包括892654个单元图5 叶片附近的网格分布 图6 模型整体的网格分布3 数值模拟方法建立 本文通过求解N-S方程来计算整个流场，使用κ-ε湍流模型来模拟湍流，湍流强度为5%，来流为10m/s（模拟旋翼桨盘的下洗流）,风轮转速为5000rpm，模型尺寸比较小，整个尾梁的展长为0.05m如图所示流场计算区域取15c×15c，c为翼型的弦长，计算区域外边界都使用开放条件，定义来流速度，和出口压力相对值整个流场计算使用瞬态模拟，残差标准小于10e-5，整个计算模拟风轮旋转了30圈，得到了比较稳定的气动力值图7 计算区域及边界条件设置数值模拟主要方程：连续性方程： （1）动量方程: （2）κ-ε湍流模型方程： （3） （4）其中为常数，分别为 。
和代表浮力的影响程度，本文中所有计算不考虑浮力，故、均为0代表粘性力，本文计算考虑粘性力的影响4 算例验证以及计算结果分析4.1 算例验证 本文模型的流场分析中，由于横流风扇是旋转的，内部流场存在复杂的偏心涡，所以横流风扇内部流场的模拟是本文数值模拟的关键，因此本文首先针对横流风扇，进行了单独的内部流场计算模拟为了验证本文算法的可靠性，本文选用了和美国海军研究生院相近的模型进行了CFD模拟，并对计算的结果进行了对比下面是马赫数分布云图的对比，可以发现本文的计算结果跟美国海军研究院的结果的是基本一致的，稍微有点出入的地方，主要是由于几何建模时，模型几何形状的细节不同造成的，所以本文针对横流风扇的算法是可靠地，同时这套算法用于计算内置横流风扇的尾梁也是可行的图8 美国海军研究生院与本文CFD模拟得到的横流风扇内部流场的马赫数分布云图比较4.2 内置横流风扇的流场特性分析图9 风扇转（8000rpm）与不转时，流场的速度矢量对比图10 风扇转（8000rpm）与不转时，流场的压强对比图9、图10分别为两种状态下，流场中速度矢量对比以及压强分布对比风扇不转时，翼型右侧表面会发生明显的气流分离；风扇以8000rpm旋转时，右侧表面分离的气流被吸附下来，同时这部分气体会被横流风扇压缩加速，然后从翼型后缘排出，提供了一部分推力，再通过改变导流板的方向，得到所需方向的推力。
图11给出了两种工况下，翼型左右侧表面的压力分布对比图，跟风扇不转时相比，风扇以8000rpm旋转时，翼型右侧表面的压强显著减小，升力提高了近1倍这主要是由于风扇旋转时，分离气流被吸附，翼型上表面的流动加快，动压增大，静压减小图11 风扇转（8000rpm）与不转时，翼型左右表面的压强分布对比5 结论本文借助于CFD手段，验证了一种新型无尾桨系统的可行性，从本文的计算结果可以发现，这种新设计可以达到两种效果：Ø 流动控制，在大迎角下，可以通过改变风扇转速来实现不同来来流下的流动控制效果Ø 矢量推力，通过改变导流板的位置来实现矢量推力本文目前只是借助于CFD做了一部分的理论研究，证实了这种新设计在理论上是可行的，它可以在原来NOTAR系统的基础上，显著地提高尾梁的侧向力，这些都会在将来的实验研究中得到证实参 考 文 献[1] Thong Q. Dang, and Peter R. Bushnell, Aerodynamics of Cross-flow Fans and their Application to Aircraft Propulsion and Flow Control, Progress in Aerospace Sciences, 45 (2009) 1–29[2] Dornier, P., Multiple Drive for Aircraft Having Wings Provided with Transverse Flow Blowers, U.S. Patent 3,065,928, filed 27 Nov. 1962.[3] Naval Air System Command Contract N00019-74-C-0434, Multi-Bypass Ratio Propulsion System Technology Development, Vol. I-III, Vought Systems Division, LTV Aerospace Corporation, 24 July 1975.[4] Kummer, J., and Dang, T., High-Lift Propulsive Airfoil with Integrated Cross-flow Fan, Journal of Aircraft, Vol. 43, No. 4, Aug. 2006, pp. 1059–1068.[5] Harloff GJ. Cross-flow Fan Experimental Development and Finite-element Modeling. PhD. dissertation, University of Texas at Arlington, Arlington, TX, 1979.[6] Dygert RK, Dang TQ. Experimental Investigation of Embedded Cross-flow Fan for Airfoil Propulsion/circulation Control. In: AIAA aerospace science conference, Reno, NV, AIAA Paper no. 63971, January 2007.CFD Investigation Of Flow Over The Tail Boom Of The NOTAR Helicopter Based On Cross-flow FanZhang yin-hui1 TANG Zheng-fei1 Gao Zhuo-fei2(Science and Technology on Rotorcraft Aeromechanics Laboratory, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016，China)（2. PLA 61267 Army, Tongzhou, Beijing; 101114）Abstract:This article presented a proposal on design of tail boom of NOTAR helicopters and made flow field CFD analysis of the tail boom, based on design of American NOTAR helicopters and the control of Cross-Flow Fan over air flow. This article started with designing geometric appearance of the built-in Cross-Flow Fan tail boom with CAD software, and then conducted flow field analysis and discussion of the lift-and-drag characteristics of the two-dimensional simplified model of the built-in Cross-Flow Fan tail boom with the help of CFD software.Keywords：NOTAR helicopters; Cross-Flow Fan; Computational Fluid Dynamics94。