Разработка и валидация численной газодинамической модели винтокольцевого движителя для низкоскоростного летательного аппарата

Разработана CFD-модель винтокольцевого движителя, предназначенного для создания тяги малоразмерного конвертоплана. Винтокольцевой движитель представляет собой 10-лопастный вентилятор с девятью спрямляющими аппаратами, расположенный в профилированном кольце. Проведено расчетное исследование с применением программного комплекса Numeca Fine/Turbo. Проанализировано влияние подходов к моделированию (URANS, RANS с различными ротор–статор интерфейсами) и моделей турбулентности (Spalart — Allmaras, k–? SST Menter, SSC-EARSM) при угле атаки ? = 45°, относительной частоте вращения вентилятора n = 0,85 и относительной скорости набегающего потока J = 0,48. Показано, что для увеличения точности прогнозирования при больших углах атаки следует применять мелкие сетки, нестационарные подходы и модели турбулентности более высокого уровня. Результаты расчета CFD-модели хорошо согласуются с данными стендовых испытаний по тяговой характеристике в рассмотренном диапазоне частоты вращения вентилятора. Также валидация численных результатов проведена по аэродинамическим коэффициентам CX и CY, полученным при продувке в аэродинамической трубе для относительной частоты вращения вентилятора n = 0,85, 0,64 и 0,43, относительной скорости набегающего потока J = 0,09...0,72 и угла атаки ? = 0...90°. Получено качественное согласование данных для всех режимов. Отмечено количественное рассогласование результатов на низкоскоростных режимах с низкими числами Рейнольдса.
EDN: AIMRAH, https://elibrary/aimrah

Литература

[1] Sacks A.H., Burnell J.A. Ducted propellers — a critical review of the state of the art. Prog. Aerosp. Sci., 1962, vol. 3, pp. 85–135, doi: https://doi.org/10.1016/0376-0421(62)90017-9

[2] Pereira J.L. Hover and wind-tunnel testing of shrouded rotors for improved micro air vehicle design. PhD thesis. University of Maryland, 2008. URL: http://4wings.com/lib/files/shrouded_rotor.pdf (дата обращения: 15.02.2026).

[3] Zhang T., Barakos G.N. Review on ducted fans for compound rotorcraft. Aeronaut. J., 2020, vol. 124, no. 1277, pp. 941–974, doi: https://doi.org/10.1017/aer.2019.164

[4] Остроухов С.П. Аэродинамика воздушных винтов и винтокольцевых движителей. Москва, Физматлит, 2014. 328 с.

[5] Graf W., Fleming J., Ng W. Improving ducted fan UAV aerodynamics in forward flight. 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2008, art. 430, doi: https://doi.org/10.2514/6.2008-430

[6] Ko A., Ohanian O., Gelhausen P. Ducted fan UAV modeling and simulation in preliminary design. AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 2007, art. 6375, doi: https://doi.org/10.2514/6.2007-6375

[7] Martin P., Tung C. Performance and flowfield measurements on a 10-inch ducted rotor VTOL UAV. Proceedings of the 60th Annual Forum of the American Helicopter Society, 2004. URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20050009943

[8] Ryu M., Cho L., Cho J. Aerodynamic analysis of the ducted fan for a VTOL UAV in crosswinds. Trans. Jpn. Soc. Aeronaut. Space Sci., 2016, vol. 59, no. 2, pp. 47–55, doi: https://doi.org/10.2322/tjsass.59.47

[9] Fleming J., Jones T., Ng W. et al. Improving control system effectiveness for ducted fan VTOL UAVs operating in crosswinds. 2nd AIAA «Unmanned Unlimited» Conference and Workshop & Exhibit, 2003, art. 6514, doi: https://doi.org/10.2514/6.2003-6514

[10] Akturk A., Camci C. Experimental and computational assessment of a ducted-fan rotor flow model. J. Aircraft, 2012, vol. 49, no. 3, pp. 885–897, doi: https://doi.org/10.2514/1.C031562

[11] Deng S., Wang S., Zhang Z. Aerodynamic performance assessment of a ducted fan UAV for VTOL applications. Aerosp. Sci. Technol., 2020, vol. 103, no. 62, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.105895

[12] Мойзых Е.И., Кузнецов А.В., Завалов О.А. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик дистанционно-пилотируемого летательного аппарата с несущей системой «винт в кольце». Труды МАИ, 2012, № 50. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=26557

[13] Abrego A.I., Bulaga R.W. Performance study of a ducted fan system. AHS Aerodynamics, Aeroacoustic, Test and Evaluation Technical Specialist Meeting, 2002. URL: https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Abrego2_AHS02.pdf (дата обращения: 15.02.2026).

[14] Myers L.M. Aerodynamic experiments on a ducted fan in hover and edgewise flight. Master’s thesis. The Pennsylvania State University, 2009. URL: https://etda.libraries.psu.edu/catalog/9585 (дата обращения: 15.02.2026).

[15] Yilmaz S., Erdem D., Kavsaoglu M. Effects of duct shape on a ducted propeller performance. 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2013, art. 803, doi: https://doi.org/10.2514/6.2013-803

[16] Thipyopas C., Barenes R., Moschetta J. Aerodynamic analysis of a multi-mission short-shrouded coaxial UAV: Part I — Hovering flight. Proceedings of 26th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2008, art. 6243, doi: https://doi.org/10.2514/6.2008-6243

[17] Thipyopas C., Poutriquet S., Barenes R. et al. Aerodynamic analysis of a multi-mission short-shrouded coaxial UAV: Part II — Translation flight. 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2010, art. 1427, doi: https://doi.org/10.2514/6.2010-1427

[18] Akturk A., Camci C. Tip clearance investigation of a ducted fan used in VTOL unmanned aerial vehicles—Part I: Baseline experiments and computational validation. J. Turbomach., 2014, vol. 136, no. 2, art. 021004, doi: https://doi.org/10.1115/1.4023468

[19] Biava M., Barakos G.N. Optimisation of ducted propellers for hybrid air vehicles using high-fidelity CFD. Aeronaut. J., 2016, vol. 120, no. 1232, pp. 1632–1657, doi: https://doi.org/10.1017/aer.2016.78

[20] Jimenez B.G., Singh R. Effect of duct-rotor aerodynamic interactions on blade design for hover and axial flight. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2015, art. 1030, doi: https://doi.org/10.2514/6.2015-1030

[21] Sheng C., Zhao Q., Bi N.P. Numerical investigations of ducted fan hover performance for fan-in-wing applications. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2015, art. 1935, doi: https://doi.org/10.2514/6.2015-1935

[22] Chen J., Li L., Huang G. et al. Numerical investigations of ducted fan aerodynamic performance with tip-jet. Aerosp. Sci. Technol., 2018, vol. 78, pp. 510–521, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.05.016

[23] Han H., Xiang C., Xu B., Yu. Y. Experimental and computational analysis of microscale shrouded coaxial rotor in hover. ICUAS, 2017, pp. 1092–1100, doi: https://doi.org/10.1109/ICUAS.2017.7991413

[24] Grondin G., Thipyopas C., Moschetta J. Aerodynamic analysis of a multi-mission short-shroudedcoaxial UAV: part III — CFD for hovering ?ight. AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2010, doi: https://doi.org/10.2514/6.2010-5073

[25] Raeisi B., Alighanbari H. Effects of tilting rate variations on the aerodynamics of the tilting ducted fans mounted at the wing tips of a vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle. Proc. Inst. Mech. Eng. G, 2018, vol. 232, no. 10, pp. 1803–1813, doi: https://doi.org/10.1177/0954410017703146

[26] Qing J., Yu H., Wang Y. et al. Kriging assisted integrated rotor-duct optimization for ducted fan in hover. AIAA Scitech Forum, 2019, doi: https://doi.org/10.2514/6.2019-0007

[27] Xu H.-Y., Xing S.-L., Ye Z.-Y. Numerical study of ducted-fan lip stall suppression based on inflatable leading lip cell. Procedia Eng., 2015, vol. 126, pp. 158–162, doi: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.11.202

[28] Zhang T., Barakos G.N. High-fidelity CFD validation and assessment of ducted propellers for aircraft propulsion. J. Am. Helicopter Soc., 2020, vol. 66, no. 1, art. 12008, doi: https://doi.org/10.4050/JAHS.66.012008

[29] Mi B. Numerical investigation on aerodynamic performance of a ducted fan under interferences from the ground, static water and dynamic waves. Aerosp. Sci. Technol., 2020, vol. 100, no. 3, art. 105821, doi: https://doi.org/10.1016/j.ast.2020.105821

[30] Luo Y., Ai T., He Y. et al. Numerical analysis of wind effects on aerodynamic characteristics of a ducted fan. Chin. J. Aeronaut., 2024, vol. 37, no. 5, pp. 263–280, doi: https://doi.org/10.1016/j.cja.2024.02.002