复合翼eVTOL低速前飞过渡中的气动干扰力

eVTOL 2026-10-02 11:10
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继续之前的分享,今天我们分享关于复合翼低速前飞过渡状态中的干扰情况。

在低入流速度下的向前飞行中,代表过渡的初始阶段,eVTOL飞机周围的流场特征是多个螺旋桨尾流的复杂叠加,这些尾流与升力和非升力机身部件相互作用。应该指出的是,由于目前的构型配置中没有专用的水平推进装置,因此无法实现持续的向前飞行或巡航条件。因此,本分析侧重于早期过渡状态下的气动特性。关于这一主题的现存文献主要集中在机翼前分布式水平推进装置的影响上。VPU沿着两个LA(升力臂)的分布布置,位于机翼的前后,在螺旋桨和螺旋桨之间以及螺旋桨和机身之间产生特定的相互作用。这些相互作用共同促成了整体流入场的形成和气动响应。这项工作的重点是螺旋桨尾流和位于下游的部件相互作用。


如下图所示,展示了VPU尾流系统的三维Q标准可视化,分别展示了飞机以9m/s和-2.3m/s的速度向前和向下运动(J_ax=-0.15,J_lat=0.039)。该图突出了螺旋桨产生的螺旋桨尖端涡流如何向下游弯曲,并撞击机翼、LA、机身和尾部的表面。这种相互作用改变了有效的局部攻角,从而在机翼上产生了明显的上升流和下降流空间变化。机身前部受到前四个螺旋桨产生的尾流影响。初始两个螺旋桨平面的向外倾斜具有使尾流向内偏转的效果。这反过来又增强了与机身的相互作用效果。随着轴向速度的增加,最后两个螺旋桨的尾流更靠近垂直尾翼的下部。与悬停的情况一样,LA受到垂直和横向力分量的组合。这些力的大小会根据VPU的倾斜角度而变化。


复合翼eVTOL低速前飞过渡中的气动干扰力图1

AL在前悬停机动中预测的流场:由无量纲速度幅度着色的Q标准等值面的可视化𝑽𝒎𝒂𝒈

这些影响的量化如下图所示,该图显示了代表过渡开始的选定入流条件下机翼和机身的翼展方向局部升力和阻力分布。上述CAD几何结构可作为参考,LA上的力已从曲线中排除,从而解释了y/s=±0.25时观察到的间隙。蓝色曲线对应于上述没有运行螺旋桨的情况,阻力在整个eVTOL飞机上几乎呈恒定分布。升力系数显示了相当大的初始增加,随后保持相对稳定,在LA和机身之间观察到轻微下降。橙色曲线显示了相等的流入条件,但现在使用了电动VPU。出现了明显的变化,机翼在外翼区域产生了更大的升力和阻力。在没有激活螺旋桨的情况下,由于α=14°的高攻角,所考虑情况下的气流在大部分外翼上基本分离。这在后面图中也很明显,其中只有前缘的小吸力峰值和几乎恒定的压力分布表明存在广泛的流动分离。


复合翼eVTOL低速前飞过渡中的气动干扰力图2

翼展方向局部升力𝑪𝑳,𝒍𝒐𝒄 并拖动𝑪𝑫,𝒍𝒐𝒄 前悬停机动中沿机翼和机身的系数分布

然而,在激活螺旋桨的情况下,LA上的单元产生的滑流会改变周围的流场。螺旋桨尾流有效地阻挡和改变了进入的气流,迫使它在机翼区域周围加速。因此,机翼上的局部轴向速度增加。由于外翼距离螺旋桨相对较远,因此没有下洗效应。相反,轴向速度的增加会局部减小有效攻角。这导致气流重新附着,特别是在外翼区域,使机翼再次产生升力,从而增加诱导阻力。然而,在y/s=±0.25左右的LA附近,螺旋桨滑流大大改变了机翼看到的流动,导致升力系数显著降低。


绿色和红色曲线分别表示从前侧和后侧以U_∞=5m/s流入速度的eVTOL整机。根据飞行方向,上游螺旋桨的尾流撞击机翼表面,从而在相应一侧产生大量的下洗分量。下图显示了前飞期间在LA和机翼上对流的小尺度涡旋结构的模式。这些涡流代表叶片尖端涡流的残余,并指示了受上游螺旋桨(VL20)影响的区域。当螺旋桨尾流撞击机身时,机翼前缘会出现吸力峰值。对于这些较小的前进速度,这会导致局部力分量沿前进方向作用,有效地促进eVTOL飞机的加速。


复合翼eVTOL低速前飞过渡中的气动干扰力图3

前飞中的螺旋桨-机翼相互作用:由速度大小着色的Q标准等值面的可视化

相比之下,对于位于机翼下游的螺旋桨(VL30),在反向流入条件下,相互作用是相反的。如下图所示,尾流撞击机翼后缘附近的倾斜上表面。这种相互作用导致表面压力增加,导致正阻力系数,从而导致交流电减速。由于机翼的入射角,这两种情况分别在外翼部分产生正升力和负升力。然而,在螺旋桨的滑流中,与之前的情况一样,机翼上也出现了类似的下洗。


如前所述发现LA周围的局部流场取决于相对于径向叶片部分的位置、旋转方向和相应VPU的倾斜角度。随着轴向速度的增加,对LA施加力的点进一步向后移动。


如下两图显示了前进和下降运动中整机上下表面压力系数c_p分布的瞬时快照,对应于前文第二图中的橙色曲线。左侧显示了激活螺旋桨的配置,而右侧显示了未激活螺旋桨的相应情况。


复合翼eVTOL低速前飞过渡中的气动干扰力图4

压力系数𝒄𝒑 分布在上侧,活动螺旋桨左,非活动螺旋桨右

复合翼eVTOL低速前飞过渡中的气动干扰力图5

压力系数分布𝒄𝒑 在下侧,左侧为活动螺旋桨,右侧为非活动螺旋桨

在没有螺旋桨运行的情况下,观察到相对平稳的压力分布,其特征是下表面压力略有增加,上表面出现吸力峰值,与传统的提升配置一致。


然而,使用螺旋桨时会产生高度不稳定和不均匀的压力场,特别是在机身和机翼的大部分上。机翼上游的螺旋桨滑流显著改变了局部入流条件。特别是,诱导速度局部降低了机翼的有效攻角,使其进入负状态。


这种行为解释了前文第二图中观察到的载荷分布,其中机翼逐渐向LA产生负升力,这一现象可归因于明显的螺旋桨-机翼相互作用效应。


分析表明,即使在中等入流速度下,螺旋桨滑流对机翼、机身、尾部和LA的冲击在塑造纵向气动特性方面也起着决定性作用。因此,详细了解这些尾流诱导效应对于准确预测前飞中的配平、控制响应和稳定性行为至关重要。




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复合翼eVTOL低速前飞过渡中的气动干扰力图6

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