飞行汽车概念设计与气动特性分析

朱保利， 程磊， 吴恢鹏

（南昌航空大学航空制造工程学院，南昌330063）

飞行汽车概念设计与气动特性分析

朱保利， 程磊， 吴恢鹏

（南昌航空大学航空制造工程学院，南昌330063）

利用CFD软件Fluent，根据Spalart-Allmaras模型建立了飞行汽车外流场的三维湍流流动模型。通过数值模拟，得到飞行汽车在不同攻角下的升阻力系数变化规律。研究结果表明，在所选攻角范围内，随着攻角的增大，飞行汽车的升阻力系数不断增大，当攻角达到14°左右时，飞行汽车由于气流分离而发生失速。Fluent为飞行汽车的气动特性分析提供了重要依据。

Fluent；飞行汽车；数值模拟；气动特性

0 引言

1917年，美国飞行汽车之父格·寇蒂斯研制了第一辆飞行汽车，虽然该飞行汽车从未真正飞上天空，但是为人类探索新型的飞行汽车迈出了重要的一步。随着科学技术的发展和国民经济水平的提高，汽车已走入千家万户，交通拥堵成为一个世界性的难题，飞行汽车为解决这一世界性的难题提供了有效的方法。飞行汽车除了能够解决城市交通拥堵的问题之外，在很多其他的方面也有广泛的用途，如火灾救援、地震救灾、农药喷洒以及近距离交战等方面。在随后的一段时间里，各国出现了许多具有代表性的飞行汽车结构：一是固定翼飞机与汽车的结合体，如美国马萨诸塞州特拉福嘉公司推出的飞行汽车——“Transition”；二是直升机与汽车的结合体，如美军的“飞行悍马”；三是旋翼机与汽车的结合体，如荷兰推出的旋翼式三轮飞行汽车的概念模型车——“PAL-V”和由西安美联航空技术有限责任公司负责研发生产的首辆中国飞行汽车；四是动力伞与汽车的结合体，如英国的伞翼车“Sky Car”；五是涵道式可垂直起降的飞行汽车，如以色列飞行汽车“X-Hawk”。进入21世纪，随着研究的不断深入，技术的不断发展，相继有飞行汽车试飞成功并且已投入量产，如美国马萨诸塞州沃伯恩 Terrafugia公司开发的可折叠翼飞行汽车——Transition；荷兰PAL-V Europe公司研发的旋翼飞行汽车——PAL-V One等。

飞行汽车气动特性的研究属于空气动力学与流体力学的范畴，常用的研究方法包括理论分析、实验研究以及数值模拟等［1］。理论分析方法能够得出该模型较全面的信息，但是对于研究复杂的、非线性的流动，存在难于求解方程组的问题；实验研究方法的结果比较真实可信，常用于最后的设计阶段，但是由于测量方法的限制，存在难以提取某些局部数据的难题，并且具有实验时间长、成本高等缺点；数值模拟方法是随着计算机的出现而逐渐形成的一种方法，它可以大幅度地降低成本，能研究难以进行或不可能进行受控实验的系统，能研究危险条件下的系统，比实验研究更自由灵活。因此数值模拟方法广泛应用于分析流体流动和传热等物理现象中，成为一种重要的计算和分析方法。

本文研究的主要内容就是利用数值模拟的方法对新概念飞行汽车的气动特性进行分析，观察飞行汽车在不同攻角下升阻力系数的变化规律以及飞行汽车的外围流场结构，为飞行汽车的气动特性研究提供一定的理论依据。

1 流体计算模型

1.1 基本理论方程

任何流体计算的运动学规律都是由质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律来确定的。飞行汽车是低音速飞行，利用CFD方法对飞行汽车进行数值模拟时要考虑到流体的黏性和不可压缩性，此时的热交换量很小以至可以忽略，可不考虑能量守恒方程，密度ρ为常数。三维流动的质量守恒方程和动量守恒方程分别为：

式（1）、（2）中，ui为i方向的速度，p为压强，v为运动黏性系数。

1.2 湍流模型

本数值模拟采用的是非结构化网格，压力基耦合求解器；入口条件为速度，出口条件设置为压力，湍流模型为Spalart-Allmaras模型［2］，该模型对壁面边界具有良好的模拟效果。

2 几何模型建立

2.1 新概念飞行汽车建模

飞行汽车的车身建模采用现有的某典型汽车模型［3］，在建模的过程中，对车身的几何模型进行简化，如车身两侧的设计，车身、后视镜、轮胎及门把手等零部件等，并以平底面代替飞行汽车车底的真实凹凸形状。因此，提取出该车身模型的轮廓形状，经过拉伸生成车身模型。本文选择相对弯度为4%，相对厚度为12%，最大弯度位置在机翼弦长40%处的高升力翼型NACA4412，确定机翼平面参数，利用三维软件SolidWorks完成飞行汽车机翼和车身的三维建模，如图1所示。

图1 飞行汽车模型

2.2 飞行汽车特点

该飞行汽车最大的特点是实现了垂直起降和固定翼飞行于一体。飞行汽车主要由双车身、涵道机身、涵道螺旋桨、机翼以及尾翼等部件构成。涵道机身由两根可旋转的轴连接在两车身之间，通过涵道螺旋桨的旋转驱动产生竖直方向的升力实现飞行汽车的垂直升降，在起飞的过程中，涵道机身缓慢旋转，螺旋桨产生的推力驱动飞行汽车前进，此时，将左右两侧的机翼以及车后的尾翼逐渐展开，当飞行汽车机翼及其尾翼完全舒展开时，涵道机身的旋转正好达到90°，得到飞行汽车整体巡航飞行时的状态，涵道螺旋桨产生水平方向的推力使飞行汽车前进，由两侧的机翼在飞行速度下提供足够的升力，这样该飞行汽车就能获得较好的远航性能。缺点是在起飞的过程中需要依靠两车身之间的涵道螺旋桨提供升力和推动力，给飞行汽车的稳定性及操控性带来一定的难度。

3 网格划分及流场计算

在对飞行汽车进行流场分析时，对飞行汽车模型进行简化，暂不考虑尾翼和涵道螺旋桨的影响。为了减少网格质量，在保证收敛性和稳定性的前提下提高计算速度和计算的工作效率，对飞行汽车进行网格划分时选择车身机翼半模进行气动计算。本文以Workbench为平台，将飞行汽车模型导入，程序基于几何体的复杂性，自动检测实体，对可以扫掠的实体采用扫掠方法划分生成六面体网格，对不能扫掠的实体采用协调分片算法生成四面体网格，最后划分的飞行汽车外围网格结果如图2所示。

图2 飞行汽车外围网格

网格文件将会自动导入Fluent中。选择湍流流动模型Spalart-Allmaras，在Fluent中完成相关求解器和边界条件的设置，设定进口处的边界条件为V=50m/s，出口处的边界条件为压力边界条件，即出口处的压力为零，飞行汽车表面为墙面边界条件Wall，对称面为sym。然后设置升阻力系数和残差监测，初始化之后，即可进行该流场的数值模拟计算。

4 计算结果分析

图3 飞行汽车对称面压力云图（α=10°）

图4 飞行汽车机翼截面压力云图（α=10°）

图5 飞行汽车表面压力云图（α=10°）

图3为飞行汽车对称面压力云图，可以看出车身头部的压力较大，尾部的压力较小，形成较大的压力差，这是飞行汽车主要的阻力来源——压差阻力，车身上下表面存在一定的压力差，即车身能够提供部分升力。图4为飞行汽车机翼截面处的压力云图，可以看出飞行汽车机翼的流场分布受到了车身的干扰，但上下表面存在较大的压力差，因此机翼能够提供升力，且是飞行汽车升力的主要来源。图5为飞行汽车表面压力云图，随着气流的流过，飞行汽车表面的压力逐渐增大，根据伯努利定理，可知飞行汽车表面的速度逐渐减小，且在飞行汽车的后面出现了速度分离。

图6、图7分别为飞行汽车模型对称面头部和尾部的气流速度矢量图，从图中可以看出气流在汽车头部由于受到汽车的阻挡而出现了气流的分离，一部分气流流向飞行汽车的上表面，另一部分气流流向底盘部分，且在汽车的头部出现了局部的低速区，速度几乎接近为零。气流流过车身后，上表面的气流会在汽车后备箱上方出现漩涡，并出现气流分离，最后上下两股气流在汽车的尾部汇合，在汽车尾部产生了两个局部的尾涡。

图6 头部气流速度矢量云图（α=10°）

图7 尾部气流速度矢量图（α=10°）

图8 升阻力系数随攻角变化曲线

图8为升阻力系数随攻角α的变化曲线，在一定的攻角范围之内，升阻力系数随着攻角的增大而不断增大，当攻角达到14°左右时，飞行汽车由于气流分离而出现失速，导致升力系数下降，而阻力系数继续增大。飞行汽车的飞行速度较低，阻力的主要来源是压差阻力和摩擦阻力，因此，阻力系数没有发生急剧变化，其增大幅度较为缓慢。

5 结语

（1）飞行汽车的升力主要来源于机翼，在飞行过程中，车身也能提供一定的升力，但是该升力较小。

（2）飞行汽车在飞行过程中的阻力主要来源于车身的前后压力差，机翼也存在一定的阻力，如诱导阻力、压差阻力等，由于飞行汽车的飞行速度较低，因此还存在着较大的摩擦阻力。

（3）当气流流过飞行汽车时，会在车身前部出现气流分离，流经车身后会在尾部汇合，在尾部形成局部的漩涡，出现速度低压区，其速度大小几乎为零。

（4）利用CFD方法对飞行汽车进行数值模拟，为研究其空气动力学特性提供了很好的理论依据。

［1］ 郭江涛，邢存震，谭献忠.基于Fluent的亚音速翼型气动特性数值研究［J］.中原工学院学报，2012，23（1）：36-40.

［2］ 许建明，戴腾清，刘金武.基于CFD的轿车外流场数值模拟［J］.西华大学学报，2010，29（6）：46-48.

［3］ 吴军，钟志华，谷正气.汽车外流场湍流模型与菱形新概念车气动特性研究［D］.长沙：湖南大学，2005.

［4］ 庄知龙，陆宇平，殷明.基于CFD的一种变形翼亚声速气动特性仿真分析［J］.飞行力学，2013，31（2）：110-114.

［5］ Sams G D.Conceptual Design and Analysis of Ferrari F430 Flying car［J］.International Journal of Research in Engineering and Technology，2012，1（6）：303-306.

［6］ Akhtarkhan M D，Jams K K.Design of flying car to articulate foreign object with Short Range Radar and Laser Gun［J］. International Journal of Scientist&Engineering Research，2013，4（7）：1677-1680.

［7］ Saeed B，Gratton G B.An evaluation of the historical issues associated with achieving non-helicopter V/STOL capability and the search for the flying car［J］.Aero，2010，114（1152）：91-102.

（编辑毕 胜）

Conceptual Design and Aerodynamic Characteristics Analysis of Flying Car Based on CFD

ZHU Baoli，CHENG Lei，WU Huipeng
（School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

The modeling three dimensionalturbulence model of flying car according to Spalart Allmaras is established by using the CFD software Fluent.The lift and drag coefficient variation characteristics in the different angle of attack will be obtained by numerical simulation.The results show that within the selected scope of attack angle,the lift and drag coefficient of flying car are increased gradually with the increasing of angle of attack,the flying car will be stalled due to flow separation when the angle of attack is at about 14 degree.The CFD software Fluent provides the important basis for the aerodynamic characteristics analysis of flying car.

Fluent；flying car；numerical simulation；aerodynamic characteristics

V 211.41

A

1002－2333（2014）05－0087－03

朱保利（1964—），男，副教授，博士，主要从事机械设计及理论研究。

2014-01-13

航空科学基金（HF201003088）