缩比技术验证机T1之涵道特别介绍

涵道风扇

或管道式/罩式螺旋桨的概念，最早是由Stipa在1930年代通过实验研究出来的。Stipa在20世纪30年代首次对其进行了实验研究，不久之后，人们利用理论和进一步的实验对其进行了广泛研究。自2000年以来，由于人们对UAM、eVTOL、无人机和电力推进项目的兴趣日益浓厚，对涵道风扇研究的热情日益增长。

涵道风扇是圆形管道内的螺旋桨，可以看作是螺旋桨和涡扇发动机的混合体，通常被认为是一个环形的翅膀。涵道带来了比自由螺旋桨更优越的静态性能，这一点已被许多早期的实验所证实。性能的提高主要归功于弯曲的涵道进口唇上的吸力和扩散器周围较大的静压的综合效应。在平飞中，环形机翼相比于普通机翼有更大的表面积，摩擦阻力会更高。然而环形机翼的诱导阻力只有普通机翼的一半，在低速情况下，诱导阻力是构成阻力的主要部分。因此环形机翼在平飞性能上也更具有优势。

涵道为螺旋桨、地面人员及设备提供保护。特别是在紧急情况下（如鸟撞、风扇叶片断裂损伤等），涵道可以起到遏制作用，防止对机身的进一步损害。

噪音水平是eVTOL能否在城市区域应用的重要考量因素之一。许多实验已经证实涵道能有效降低对环境的噪音污染，例如通过在内壁添加消音材料、主动控制噪音（一个给定的声场可以被另一个振幅相同但相位相反的声场所抵消）、减少特定部位的噪音并改变噪音的传播方向、叶片的前后掠和倾斜等多种不同方式实现。

通过在出口处增加控制舵面以偏转气流，涵道风扇能够提供矢量推力，在悬停状态下可用于前进速度以及航向角的控制，在平飞时作用与传统机翼上的襟副翼相同。通过将控制系统和电源系统集成在保护罩内，未来的涵道风扇可以被制成紧凑的、可拆卸的、可插入式、电力驱动的推进装置。这种设计方法非常利于涵道风扇机翼式eVTOL的推进装置的标准化和模块化研制。

考虑到在效率、安全、降噪和紧凑性方面的优点，涵道风扇是作为eVTOL配置的提升/推力来源的有利选择。

T1涵道CFD仿真结果

涵道的基本方程将流动简化为一维无粘不可压流动，假设出口气流完全扩张，由质量守恒，动量守恒，能量守恒，可得出涵道推力的基本方程：

其中，m为质量流，ΔP0为风扇对气流做功增加的总压，ρ为密度，Ae为出口面积，u∞为无限远来流速度，T为推力，Power为功率。

三个方程中仅包含出口面积，不含入口面积，可见出口面积是决定涵道推力与功率特性的主要参数。入口面积不会影响涵道主要性能，但尺寸设计不当会造成唇口气流分离产生额外损失。

进一步简化为静推状态，此时无限远速度为0，可得出以下方程：

由方程6可见，若推力不变，增加出口面积可以减小所需功率。

但涵道的出口面积并不能一味增加。磐拓的涵道风扇设计，风扇截面形状为圆形，出口截面形状为矩形，在两个形状的渐变过程中，局部扩张，形成逆压梯度。涵道出口面积过大会导致边界层增厚并最终分离，影响了有效出口面积，增加了能量损失。

此外，磐拓的可倾转涵道风扇机翼既是一个空气动力提升装置，也是一个推进系统，为飞行提供所需升力与推力。涵道风扇需要同时用于悬停和巡航两种工况。两种工况下流场迥异，适合一种工况的设计可能在另一种工况下表现不佳。为此，在设计优化涵道的过程中需要权衡兼顾两种工况以找出合适的设计。

为了找出合适的出口面积以及其他关键尺寸，使用CFD对涵道流场进行模拟分析和优化。对有叶片和定子的涵道风扇的模拟，是在现代CFD方法和计算机的能力范围之内可以完成的。随着商业代码的快速发展，许多关于eVTOL配置的CFD模拟与实际测试是结合进行的。磐拓缩比验证机T1的涵道风扇研发过程中，共经历了15次主要设计迭代，在唇口形状、厚度、出口尺寸、扩张段形状做了多次调整。

该流场图显示经过优化设计后，涵道最终版本的涵道扩张段气流顺滑，气流分离已消失。在优化过程中，通过改变出口的尺寸与变化段的形状，实现逆压梯度减缓，边界层厚度减小，气流分离得到了有效的控制，减小了相同推力下所需的功率输入。

结论

经过权衡分析之后，我们发现优化迭代过程中需要综合考虑同时满足巡航（Cruise）和悬停（Hover）两种状态下的力效（Thrust/Power Ratio）和升阻比（Lift/Drag Ratio）性能要求。仿真数据显示经过15次设计迭代后的力效和升阻比均有所提升。

经仿真数据验证，优化后的最终版本设计比初始设计：

• 在悬停阶段，力效（Thrust/Power Ratio）增加2%，相同风扇压差下推力增加12%

• 在巡航阶段，升阻比（Lift/Drag Ratio）增加270%

我们的实验数据显示：

• 所有仿真均考虑同时满足cruise和hover性能最优

• 最终仿真结果经过实验验证，均满足巡航和悬停设计要求

• 真实测得的力效数据比仿真数据高5%，实际性能优于仿真结果