本文基于ERC提出的气动分析框架扩展了对ROMEO配置的研究，重点关注相互作用的气动现象。所考虑的飞机具有沿两个升力臂（LA）布置的八个VPU。这导致了一个复杂的流场，其特征是明显的螺旋桨-螺旋桨、螺旋桨-机翼、螺旋桨-吊杆、螺旋桨-机身和螺旋桨-尾部相互作用。为了准确预测空气动力学性能、稳定性和控制特性，有必要全面了解悬停、过渡和侧向飞行过程中涉及的机制。
ROMEO演示器在飞行测试中，跨度为16米，质量为2.7吨
由于涉及大量参数，包括螺旋桨转速、控制面偏转和飞行条件变化，对这种配置的分析提出了重大挑战。这一挑战在过渡飞行期间变得尤为明显，在过渡飞行中，多种空气动力学效应同时发生，并导致更复杂的相互作用。为了解决这种复杂性，ERC采用了一种模块化策略，将总体问题分解为更小、可管理的研究，并辅以中等保真度的建模方法，以确保计算效率。
本文的其余部分结构如下。首先，使用由代表性螺旋桨和简化LA几何形状组成的通用设置，通过完全解析螺旋桨（FRP）模拟验证了中保真气动建模方法的适用性。然后，使用相应的、专门设计的螺旋桨对完整的ROMEO飞机配置进行所有后续分析。
随后，研究了悬停条件下多个操作螺旋桨对作用在LA和水平尾翼（HT）上的气动载荷的影响。基于这些结果，分析了从悬停到向前飞行过渡期间以及侧向飞行和横滚机动期间的相互作用气动效应。
悬停状态下气动干扰
即使在纯悬停飞行中，多个螺旋桨和机身之间的相互作用也会对整机的气动特性产生重大影响。为了量化这些影响，使用不同复杂性的配置分析了螺旋桨-机身相互作用对LA和尾部部件的影响。为了确定主要的相互作用机制，通过减少主动螺旋桨和结构部件的数量，系统地减少了整机配置。这种方法有助于评估单个螺旋桨和螺旋桨组对诱导气动载荷的贡献。按复杂性降序分析以下配置：具有所有八个螺旋桨（all-8-Props）的全整机、具有LA的四个前螺旋桨（front-4-Props）、具有LA的四个后螺旋桨、左侧的两个前螺旋桨和LA（VL10VL20）、左侧的两个后螺旋桨（VL30VL40），最后是与代表性整机部分（VLx0）相互作用的单个左侧螺旋桨。
对于每种配置，LA上的诱导气动力由相应的推力归一化。对于沿LA轴向的综合力和载荷空间分布，数据在五圈内进行平均。通过比较表3中前螺旋桨和表4中后螺旋桨的推力系数和归一化LA力，总结了结果。图13和图14分别显示了两个前螺旋桨和两个后螺旋桨沿LA的载荷分布。这些图包括CAD侧视图以及无量纲力分布F_z/T和F_y/T。对于每个螺旋桨，旋转的位置和方向由带有两个头部的黑色箭头表示。黑色虚线表示位于相应螺旋桨正下方的LA区域，而点表示这些区域上的综合力作用的假想位置。
施加在LA上的力主要是由螺旋桨下洗撞击结构引起的。加速滑流已被证明会增加LA上表面的静压，而下侧周围的加速流动会导致局部压力降低，并在下游进一步导致分离流动区域。因此，在螺旋桨盘下方的LA上出现了明显的垂直力分布。通常观察到峰值载荷出现在0.7R左右，这对应于螺旋桨叶片产生最高推力并因此产生最强下洗的径向区域。这种现象导致LA上下表面之间的压差增加。
除了垂直载荷外，旋转叶片还会在LA上产生横向力。当每个叶片经过LA时，它会在旋转方向上局部偏转气流。这种现象主要是由叶片阻力引起的切向速度分量驱动的。LA上表面产生的切向流在背风LA侧产生局部吸力峰值，进而产生侧向力。此外，叶片靠近LA会产生不稳定的旋转压力场，这进一步放大了由此产生的气动载荷。
为了说明这一现象，将考虑VL20的情况。在这种情况下，位于螺旋桨盘前侧的叶片（目前是图13中的左叶片）逆时针旋转，从而在LA上向外移动。这种运动在LA上产生向外的力。同时，后叶片向内旋转，产生相反方向的力。如果螺旋桨向外倾斜，这种影响会被倾斜引起的流动分量部分抵消，该分量会在LA上施加向内的力，从而主导产生的横向力方向。
第一螺旋桨（VL10）向外倾斜，仅与LA部分重叠。已经证明，包含独立螺旋桨的模拟大大高估了0.7 R附近的局部载荷峰值。然而，包含两个前螺旋桨（VL10VL20）的模拟充分复制了LA上的归一化垂直F_z/T。相反，只有将所有四个前螺旋桨的相互作用纳入模拟中，才能高精度地预测横向力F_y/T。这种行为可以归因于相对螺旋桨的远场影响。具体而言，诱导压力场改变了横向流动偏转，导致LA下侧分离区域发生轻微移动。这些变化反过来又会影响产生的横向力。除了单螺旋桨模拟中的横向力外，所有配置在预测两个施力点方面都表现出高度的准确性。
第二螺旋桨没有倾斜，其总体趋势与第一螺旋桨相当。所有配置都与All-8-Props模拟进行了比较。单螺旋桨情况高估了局部峰值载荷，但低估了整体下洗量。双螺旋桨配置往往低估了第二螺旋桨上游侧的下洗量，而四螺旋桨配置则略微高估了它。
由于螺旋桨的旋转，LA两侧会产生几乎对称的侧向力，从而产生相对较小的净侧向力。因此，没有定义明确的施力点。随着模拟螺旋桨数量的增加，越来越大的力将LA向内推。
第三螺旋桨VL30下方的载荷与第二螺旋桨非常相似，但与VL20上的载荷相比，LA上的载荷是镜像的。它现在有一个互动伙伴VL40，在后侧。现在，两个螺旋桨的叶片在LA的外侧相遇，并在LA上方向内旋转。只有当模拟中包括所有四个后螺旋桨时，才能准确捕捉到作用在LA上的垂直力F_z/T。相比之下，所研究的大多数配置都很好地预测了横向力F_y/T。与VL20不同，VL30将LA向内推。
第四个螺旋桨VL40向内倾斜。其F_z/T行为与VL30相似。单螺旋桨模拟显著高估了前侧的F_z/T，并显著低估了后侧的F_z/T，导致施力点非常靠后。相反，双螺旋桨配置往往高估了LA后部的载荷，而四螺旋桨模拟的结果与All-8-Props模拟的结果非常相似。
图13 前两个螺旋桨下LA上的诱导力分布F_z/T和F_y/T
图14 后两个螺旋桨下LA上的诱导力分布F_z/T和F_v/T
图15 四种不同复杂配置的尾部周围垂直速度分量的等值面，W_norm=0.165
还分析了不同数量的主动螺旋桨对HT的负载。表5列出了HT上的相应下洗，图15显示了w_norm=0.165值下无量纲垂直速度分量的ISO表面，展示了运行螺旋桨的下洗区。随着运行螺旋桨数量的增加，ISO表面更靠近HT，这意味着HT上有更多的下洗。与使用八个螺旋桨的整机模拟相比，要合理预测悬停时HT上的下压力，需要模拟所有四个后螺旋桨。
总体而言，悬停时的结果表明，模拟相邻的螺旋桨对通常足以预测LA上的垂直力F_z。然而，准确预测横向力F_y需要将所有四个前后螺旋桨都包括在模拟中，以捕捉合并螺旋桨尾流的相互作用。水平尾翼也有类似的要求，需要多个后螺旋桨的组合效应来正确捕捉下洗引起的载荷。
这种方法还提供了显著的计算优势。在LA以上使用AL方法模拟一个或两个螺旋桨需要大约150万个单元，当包括尾部的后部配置时，需要增加到大约500万个单元。相应的四个螺旋桨配置大约是这些网格尺寸的两倍。相比之下，所有八个螺旋桨的完整整机模拟由大约2400万个单元组成。计算成本的降低实现了高效的参数研究，同时为所研究的相互作用效应保持了足够的准确性。
原文资料：2026德国ERC关于ROMEO eVTOL整机的螺旋桨和机身相互作用气动干扰研究,https://wvul7.xetslk.com/s/3jm0CU;
