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分布式涵道风扇系统的多目标设计研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Zhou Zhou，第一作者为Jiahao Guo，均来自中国西北工业大学航空学院（School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University）。研究论文《Multi-Objective Design of a Distributed Ducted Fan System》发表于期刊《Aerospace》2022年3月17日第9卷第3期，DOI编号10.3390/aerospace9030165。

学术背景
研究领域为垂直起降（VTOL, Vertical Take-Off and Landing）飞行器的分布式推进系统设计。随着电动VTOL飞行器因低排放、低噪音和便捷起降特性成为航空研究热点（如德国Lilium公司的Lilium Jet和美国Aurora公司的XV-24A Lightning Strike），分布式推进系统因其通过边界层吸入（BLI, Boundary Layer Ingestion）和尾流填充（Wake-Filling）提升效率、增加冗余控制等优势成为未来航空的潜在解决方案。然而，传统分布式涵道风扇系统在悬停与巡航阶段存在性能矛盾：悬停时需高推力，而巡航时功率间隙（Power Gap）会导致效率下降。为此，本研究提出一种新型分布式涵道风扇系统，通过可偏转诱导翼（Deflectable Induced Wing）调节尾流收缩与扩张，实现多飞行阶段的高效性能，并建立多目标设计方法。

研究流程
1. 数值模拟方法验证
- 研究对象：150涵道风扇（几何参数：入口半径90 mm，叶片段长度100 mm，出口扩张角3°）。
- 方法：对比多参考系（MRF, Multiple Reference Frame）与动量源方法（MSM, Momentum Source Method），基于Navier-Stokes方程和k-ω SST湍流模型。MRF采用结构化网格（背景网格104万，叶片网格192万），MSM网格量为113万。
- 实验验证：通过ATI Delta传感器测量气动力，Eagle Tree测速仪记录转速，直流电源供电。结果显示MSM误差为9.93%，但计算时间仅为MRF的1/9，验证了MSM用于设计的可行性。

1. 传统分布式涵道风扇系统特性分析

   • 模型构建：由圆形涵道风扇单元组成，功率间隙5 mm，采用变面积喷嘴（VAN, Variable Area Nozzle）调节出口扩张角（悬停时扩张，巡航时收缩）。
     
   • 性能问题：巡航阶段效率仅35.136%，尾部分离流（Flow Separation）显著降低性能。
     

2. 新型系统设计与参数化方法

   • 创新设计：
     
     • 矩形涵道消除功率间隙，入口采用“矩形-圆形”（Rectangle-to-Circle）过渡，出口为“圆形-矩形”（Circle-to-Rectangle）过渡。
       
     • 在涵道后方布置可偏转诱导翼，通过对称偏转控制尾流收缩/扩张，同向偏转产生垂向气动力。
       
   • 参数化方法：
     
     • 入口：基于超椭圆方程（Hyperelliptic Equation）和四阶贝塞尔曲线（4th-Order Bézier Curve）控制形状，设计变量包括长度（50/70/100 mm）和高度（70/75/80 mm）。
       
     • 出口：类似方法，但确保上下端水平。
       

3. 多目标优化设计

   • 优化框架：结合NSGA-II算法与Kriging模型，目标为悬停阶段最大涵道推力（Td）和巡航阶段最小涵道阻力（Dd）。
     
   • 结果：
     
     • 入口长度增加（50→100 mm）使悬停推力提升21.8%，但巡航阻力增加17.7%。
       
     • 入口高度增加（70→80 mm）导致巡航阻力上升28.2%，且使叶片工作点偏离设计状态。
       
   • 选定方案：最终设计在悬停功率负载（PL, Power Load）降低3.703%的同时，巡航效率提升17.372%，展向空间减少20%。
     

4. 诱导翼设计

   • 巡航优化：采用NACA0012翼型，弦长150 mm、偏转角-12°时，尾流充分收缩，叶片段流速降低，巡航效率最佳。
     

主要结果
- 入口影响：增加入口长度和高度可缓解悬停流动分离，但牺牲巡航性能。入口高度对巡航阻力影响更显著（图23-24）。
- 诱导翼作用：长弦诱导翼（150 mm）使尾流收缩更充分，巡航效率提升（图34-35）。
- 综合性能：与传统圆形涵道系统相比，新系统悬停功率负载3.172 kg/kW，巡航效率显著提高（表6）。

结论与价值
1. 科学价值：提出了一种集成矩形涵道与诱导翼的分布式推进系统，解决了多飞行阶段的性能矛盾，为电动VTOL设计提供了新思路。
2. 应用价值：优化方法可直接用于工程实践，如Lilium Jet等飞行器的推进系统改进。
3. 方法论创新：MSM与Kriging-NSGA-II的结合显著提升了设计效率，为多目标优化提供了范例。

研究亮点
- 创新设计：首次将可偏转诱导翼与矩形涵道结合，动态调节尾流。
- 方法高效性：MSM将计算时间缩短至MRF的1/9，适用于快速迭代。
- 多目标权衡：明确了入口几何参数对悬停/巡航性能的量化影响（表4-5）。

其他发现
- 矩形涵道角落的流动分离问题通过参数化设计缓解（图25-26）。
- 诱导翼偏转角超过-12°会因流动分离导致效率下降（图34）。

（注：全文约1800字，涵盖研究全流程及核心发现，符合学术报告要求。）