涵道风扇无人机基于FLUENT的性能分析_张桥

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第33卷
（2）prePD—— FLUENT用PDF模型计算燃烧 过程的预处理软件。 （3）GAMBIT——FLUENT提供的网格生成软 件。 （4）TGRID——FLUENT用于从表面网格生成 控件网格的软件。 （5）过滤器——或者叫翻译器，可以将其他 CAD/CAE软件生成的网格。 GAMBIT用于自己的绘图器，可以完成复杂 外形的二维/三维建模，并提供了强大的布尔代数 运算功能，能够准确地模拟分析出分析对象的几 何外形。由于GAMBIT需要非常准确的模型，对 模型建立的质量要求很苛刻，为了方便应用，实 际中，我们对模型须进行必要的简化，忽略一些 结构条件，以达到分析的目的。 FLUENT软件采用有限体积方法，并提供了3 种数值算法：SEGREGATED SOLVER，COUPLED EXPLICIT SOLVER和COUPLED IMPLICIT SOLVER。此外，FLUENT软件包含了8种工程上 常用的湍流模型，而每种模型又有若干子模型。 其中k-占模型包括鲁棒性较好的Standard k- 模 型；针对逆压梯度的RNGl k- 占模型和针对旋流 的Realizable k- 占模型。这3种湍流模型又分别 包括3种壁面函数：标准壁面函数、非平衡避免函 数和双层区域壁面函数。 FLUENT的后处理器具有强大的后处理功 能，能够完成CFD计算所要求的功能，包括速度 矢量图、等值线图、等值面图、流动轨迹图等， 并具有积分功能，可以求得模型所受的各种力、 力矩及其对应的力和力矩系数、流量等。对参数 和计算中的误差可以随时进行动态的跟踪显示。
图2 求解器定义
设置好之后，就可以对模型进行具体的边界 条件设置了，边界条件设置对于仿真的成功起到 了关键的作用。模型可以设置为六边界面和一个 体，如表1所示。
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边界条件，即沿倒周方向呈周期性流动特点，或 沿直线方向呈周期性特点。在周期性计算中，流 动必须满足的条件包括流动为不可压流；流场在 流动力向上的几何特征具有周期性特征；如果采 用耦合求解器，只能给定压强增量，如果采用分 离求解器，则可以同时给定压强增量和质量流 量；在流场入口和出口上没有质量的净增量；弥 教相模型、多相流模型和反应流模型不能出现在 计算中。在这里，我们只需要将左右端而定义 为periodic类型，井在periodic type对话框中选择 Rotational。 （5）压力入口和压力出口设置 模型的上表面设置为压力入口，下表面设 置为压力出口。入口压力边界中，可以设置总压 P =0，湍流水平保持缺省设置。而在下表面出口 压力边界不需要设置任何参数，如图4所示。
影响。旋翼的叶片数 N =3，直径 D =45.72 cm，取 值D=46 cm，旋翼与涵道外壳间隙 =5 mm，旋翼 弦长b=40 mm， =3尖削比，旋翼翼型内外扭转度 分别为12°和0°。涵道风扇无人机的中心体直 径为90 mm，在计算模型中，近似地将中心体看 作旋翼的桨毂直径。根据涵道风扇无人机的对称 性，计算模型选取整个无人机的1/ N 作为计算对 象，并根据轮毂和涵道外壳的尺寸，构造了进口 收缩段和出口压缩段。通过对模型表面的定义， 可以确定涵道风扇的进出口、旋翼叶片的压力面 和吸力面、轮毂面和外壳面[2]。 1.2 网格划分 涵道风扇计算模型的网格划分用FLUENT的 前置处理器GAMBIT来完成。GAMBIT是专业的 前置处理器软件包，用来为CFD模拟生成网格 模型，由它生成的网格模型可供多种CFD软件 使用。GAMBIT具有突出的非结构化网格生成能 力，能够针对及其复杂的几何外形生产三维四面 体、六面体的非结构化网格及混合网格，且有 数十种网格生成方法。GAMBIT可以从PRO/E， UGII，CATIA，ANSYS等主流的CAD/CAE系统导 入几何和网格。本章中我们使用GAMBIT从CATIA 中导入涵道风扇的计算模型，并进行网格划分。 生产网格的过程中，面网格采用三角形网 格，体网格采用四面体/六面体混合型网格单元。 网格质量的好坏直接影响到模型分析结果的好 坏，过疏或者过密的网格都会极大地影响计算结 果。过疏的网格往往得到不精确，甚至完全错误 的结果；过密的网格会使计算量增大，使计算难 以收敛，得不到理想的结果。在有边界的涵道外 壳、轮毂面以及旋翼叶尖到涵道外壳的径向间隙 空间，网格节点间距设为5 mm，网格单元选用 Tet/Hybrid，类型选用Tgrid。网格划分后得到的网 片和轮毅面都设置为壁面。在涵道风扇 中，叶片和轮毅面在发动机的带动下旋转，但是 相对于之前设置的旋转参考坐标系，叶片和轮毂 都是静止的，因此，叶片和轮毂面都可以设置为 Stationary Wall。 （3）定义外壁面 模型的外壁面相对于之前设置的旋转参考系 具有旋转速度，可以将其设置为Moving wall，将 其Motion设置为Absolute和Rotational，绝对速度设 置为0，旋转轴为Y轴。 （4）定义周期边界 扇形模型的左右两个边界可以定义为周期 边界。因为在涵道风扇体中，流体的流动包含 周期性特征。周期性流动特征是在一定的时间、 空间间隔上流场变量或其导数有重复出现的现 象。周期性边界条件包括旋转周期性条件和平移
收稿日期：2012-02-18；修订日期：2013-02-26
非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这 一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的 时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细 化方法变得很简单，并且减少了计算量。 FLUENT是用C语言编写的，因此具有很大的 灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据 结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为 了高效的执行，交互的控制，以及灵活地适应各 种机器与操作系统，FLUENT使用client/server结 构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力 的服务器上分离地运行程序。 FLUENT软件包中包括以下软件： （1）FLUENT求解器——FLUENT软件的核 心，所有计算在此完成。
面的压力在径向上有递减的趋势，而且叶片迎风 面的压力小于背风面的压力，相比较于叶片上表 面压力的变化情况，叶片下表面的压力变化比较 小。通过图6叶片表面的速度矢量图可以看出，叶 片尖部的速度要比根部的速度快，这应该是旋翼 高速旋转所产生的结果。
第33卷 2013年 第3期
第3期 6月
飞 机 设 计 AIRCRAFT DESIGN 邹 辉 等：高超声速湍流高效模拟算法
Vol. 33 No. 3 20135 Jun
文章编号：1673-4599 （ 2013 ） 03-0005-05
涵道风扇无人机基于FLUENT的性能分析
张 桥，刘春义
（沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035） 摘 要：针对所设计的涵道风扇无人机，利用流体力学分析软件Fluent对其进行内部流场分析，简述仿真模型
并网格划分，对涵道风扇无人机涵道出入口、旋翼叶片表面压力、速度变化进行仿真分析。 关键词：无人机；涵道风扇；空气动力学；总体设计 中图分类号：V211.45 文献标识码：A
Performance Analyze of Ducted Fan Unmanned Aerial Vehicle by Fluent Software
1 涵道风扇计算模型建立及网格划分
1.1 计算模型建立
FLUENT软件可以利用其前置处理器GAMBIT 建立计算模型并进行网格划分，但对于一些形状 比较复杂的模型不是十分便利。我们使用CATIA 三维软件建立涵道风扇的计算模型 [1]，并导入到 GAMBIT中进行网格划分。 涵道风扇无人机中，涵道外壳具有固定翼 的翼型特征（NACA0016），旋翼的翼型选择为 NACA0012，当然我们可以根据需要改变旋翼的 翼型进行分析，以得知翼型对于涵道风扇性能的
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（1）定义流体域 模型中空气流过的区域则可以建成一个体 区域，取名为liuchang。由于叶片在发动机的带 动下在涌道内有旋转运动，因此需要设立一个旋 转参考坐标系。在Fluent的Boundary Conditions对 话框中，可以对liuchang体区域进行设置。材料 设置为air，在Motion Type中选择Moving Reference Frame，表明设置了一个旋转参考系，旋转速度设 置为3 600 r/min，旋转轴根据模型选择为Y轴，设 置好之后如图3所示。
ZHANG Qiao , LIU Chun-yi ( Shenyang Aircraft Design & Research Institute , Shenyang 110035 , China ) Abstract : Based On the research of ducted fan, the aerodynamic characteristics of the flying robot are studied by means of combination of momentum theory and blade element theory in this paper. An aerodynamic mathematical modeling of the ducted fan and wings has been established. Key words : unmanned aerial vehicle ; ducted fan ; aerodynamics ; principal structure design FLUENT是FLUENT公司开发的一种使用范围 广泛、功能强大且适合以工程为题计算的计算流 体力学（CFD）软件。FLUENT公司是享誉世界的 最大的CFD软件供应商，作为专业的CFD软件， FLUENT可用于外部流场分析、发动机流场分 析、空调系统分析、水泵及风扇的流场分析、邮 箱晃动模拟、化学反应模拟等方面。 FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流 动及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格 灵活性，可以使用非结构网格，如二维三角形或 四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来 解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非 结构网格。对于大梯度区域，如自由剪切层和边 界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是