為客戶設計的一款涵道無人機已進入交付階段，該款無人機對風扇槳尖渦和尾流的抑制作用直接影響了涵道風扇組合流場特征，而涵道外形又決定了這種抑制作用的大小。

涵道風扇參數的選擇對涵道風扇組合系統的氣動性能起著至關重要的作用。而面臨多變量優化的問題，采用基于代理模型的優化方法對涵道風扇設計參數進行優化設計，該方法具有成本低、精度高、周期短等優點，因此被廣泛應用到工程領域的設計優化方面。

針對涵道風扇設計參數，開展涵道風扇優化設計研究工作。利用專業螺旋槳設計軟件CAESES進行螺旋槳的參數化設計，配套isight遺傳算法優化軟件輸入到ANSYS中進行優化計算。

1. 基于動量源的數值模擬方法

通過求解三維不可壓 Navier-Stokes 方程組，并引入動量源模型以模擬涵道風扇組合系統對流場的作用。假設不考慮能量的損耗，采用定常黏性不可壓流對涵道風扇組合流場進行計算。直角坐標系下描述定常流動的三維方程為：

式中W，F，G，H為無黏通量、、為黏性通量S 為動量源項; t為用于數值計算時的虛擬時間、XYZ 為空間坐標。

采用動量源方法，將風扇槳盤簡化為一個薄作用盤，以施加于作用盤的動量源來代替風扇槳盤對流場的作用，求解包含動量源項的三維 N-S 方程，簡化了涵道風扇系統誘導作用下的準定常流場。求解離散形式的動量源項，需要建立槳葉與作用盤的對應關系，基于所選翼型升力系數 Cl 和阻力系數 Cd ，求解出作用盤網格單元上的槳葉力dF。以葉素理論建立槳葉氣動力模型，由流場迭代求解得出槳盤處的誘導速度，槳葉的主要幾何特征在源項的表達中體現。

2. 涵道風扇組合流場網格生成

采用CFD 方法計算涵道風扇氣動特性的精確性和計算過

程的收斂速度，主要取決于流場的主控方程的計算格式以及流場計算單元的網格生成質量。同時，網格數量決定了計算速度的快慢。針對網格數量及計算速度這對矛盾體，采取以下策略： 對于研究對象的流場壓力梯度、密度等參數變化較大的區域應適當地進行網格加密，其他區域進行去密化處理。

涵道唇口是涵道風扇系統產生拉力的一個重要因素。氣流通過涵道唇口時，發生壁面繞流現象，使得唇口部分形成一個低壓區，從而產生升力。本節對比了不同涵道唇口半徑對涵道風扇組合系統氣動特性的影響。圖中 CP 代表壓力系數，是表征靜壓相對動壓的物理量。可以看出，隨著涵 道唇口半徑的增加，涵道唇口處的負壓區域及大小 均有減小，導致涵道拉力減小。然而，如圖4于涵道唇口半徑來講并非越小越好，較小的唇口半徑易在唇口區域產生氣流分離，從而使得涵道升力不升反降。

涵道擴散口

涵道內壁面對風扇的尾流收縮具有一定的抑制作用，影響了涵道風扇的組合流場，增加涵道擴散角 可以進一步改變涵道風扇系統的氣動特性。隨著擴散角的增加，風扇拉力略有增加。其原因是 涵道內壁對涵道風扇的尾流具有抑制其收縮的作用，降低流場的軸向速度，軸向速度的降低會導致風 扇槳葉當地迎角的增加，進而升力相應增大。在一定范圍內，涵道擴散角越大，對槳葉沿展向的誘導速度分布的影響越大。

3 結論

針對涵道風扇組合系統的氣動特性和性能展開了設計研究。對涵道風扇組合流場進行了CFD 建模計算，并對涵道風扇的多個設計參數進行了優化設計。主要結論如下。

（ 1） 通過求解三維不可壓Navier-Stokes方程組，并引入動量源模型以模擬涵道風扇升力系統的對流場的作用，建立了基于 CFD 的涵道風扇升力系統組合流場計算模型。

（ 2） 對不同設計參數下的涵道風扇氣動特性和性能進行了計算

分析，并對唇口半徑、涵道擴散角、槳尖距離涵道內壁的間隙和風扇槳盤中心在涵道的位置等主要設計參數進行了影響分析，明確了各參 數對涵道風扇氣動特性的影響規律。

（ 3） 建立有效的涵道風扇升力系統設計參數的優化設計模型，優化結果顯示，同等總距下，涵道風扇組合體總拉力得到了有效提高，證明了方案設計的可靠性。

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