开发一种创新的管道风扇系统，该系统采用多元素叶片结构，用于飞行装置的电力推进

《Macromolecular Symposia》：Prototyping an Innovative Ducted Fan System With Multi-element Wings for the Electric Propulsion of Flying Devices

　　**摘要**

本文探讨了一种新型导管风扇推进系统的设计及优化方面的理论基础和实验测试，该系统借鉴了Handley Page的多元素机翼设计和空气动力学Channel Wing概念。通过测量带罩和不带罩的反旋电动机/螺旋桨的推力，并改变罩的出口面积（使用不同直径的下螺旋桨），我们对这一设计进行了验证。此外，我们还尝试通过调整罩的3D打印填充特性来减少推进系统的振动。实验结果表明，推力和最大升力显著提升，同时噪音降低，低速时的机动性也得到了改善，这些对于无人机和电动垂直起降（eVTOL）应用至关重要。

**1 引言**

关于电导流风扇（EDF）、导流推进风扇（DPF）和电导流推进风扇（eDPF）系统的研究正在快速发展。安装在管状外壳（通常是圆柱形）内的电风扇产生的气流速度极高，能够为飞行器提供足够的推力。由于其高效、体积小和低噪音特性，这类推进方式目前比传统发动机更受欢迎。研究[1]展示了四种类型风扇系统的风洞测试结果，这些风扇在机翼表面的布置和线性排列数量有所不同。研究结论指出，当风扇位于机翼后缘前方或沿机翼展向上布置多个风扇时，单个风扇的性能（推力）较差。一些研究使用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）理论[2, 3]来分析空气动力行为，而另一些则采用非稳态RANS（URANS）[4, 5]方法。前者仅考虑平均流量而不考虑不稳定性，后者则更精确地模拟了现象的时间变化。文章[2]通过理论分析和数值模拟优化了一种由两个结构元素组成的空气动力轮廓，获得了良好的结果。文章[4]作者采用了一种主动复杂的方法，在侧风条件下成功控制了飞行器的速度及其稳定性。研究[5]确定了悬停导管风扇与地面之间的临界距离，指出天花板效应会影响稳定性。这一临界距离（约为转子半径的0.4倍）对控制器设计至关重要。参考文献[6]研究了由三个相互连接的元素组成的机翼型结构周围的气流复杂运动。大涡模拟（LES）数学模型显示，空气湍流动态在后缘产生时间不稳定的流动，对某些机翼区域构成危险。为了产生高升力、优化性能和提高稳定性，研究[7]通过仿真确定了设计具有多个不同元素的轮廓所需的主要几何参数。本研究旨在设计一种具有原创创新形状的新管状外壳，并通过实验室实验进行验证。提出了一种新的解决方案——为电动航空设备的推进系统组件设计一种创新的管状外壳结构。这种新颖的方法结合了3D建模和打印技术，将传统的高升力机翼设计与现代螺旋桨推进系统相结合，从而提高了空气动力效率和制造精度。文章分为四章：引言、方法和材料（用于重新设计推进系统的管状外壳）、实验与结果以及结论。

**2 方法与材料**

研究策略的方法基于假设和实验测试，这些测试分析了导管风扇推进系统。通过修改带罩和不带罩的导管风扇参数，我们寻找具有最佳技术性能的配置。最初由Willard Custer开发的Channel Wing（CW）采用带通道截面的机翼型，螺旋桨安装在通道内，即使在零速时也能加速气流并显著增加升力，从而引入了动力升力的概念。Handley Page提出的多元素机翼源自RAF 19设计，并于1921年公开演示[8]，其升力系数达到了4.3，远超单一元素机翼。

**2.1 双风扇系统的静态推力模型**

方程（1）表示悬停状态下单个导管风扇的动量理论表达式[3]：

\[T = \text{单风扇静态推力}\]

其中\(T\)是单风扇的静态推力，可以通过将每个风扇视为独立执行器盘并合并它们的推力贡献来适应双风扇配置，同时考虑任何流动相互作用：
\[T_{\text{total}} = T_1 + T_2\]
\[T_{\text{total}} = \frac{S_1V_1}{S_1} + \frac{S_2V_2}{S_2}\]

**2.2 考虑导管和安装效应**

在实际应用中，两个风扇可能共享一个导管或安装得非常接近。这会改变有效入口面积，从而影响局部入口速度和尾流恢复，进而改变远尾流速度。方程（3）中的修正项\(\eta\)（\(0 < \eta \leq 1\)）用于表示这种相互作用，它减少了每个风扇的推力和导管的升力：
\[T_{\text{total}} = (1 - \eta)T_1 + \eta(T_2)\]

\(\eta = 1\)表示无干扰（简单叠加），而\(\eta < 1\)表示部分流动耦合。多元素机翼可以提升空气动力性能，如方程（4）所示，该方程基于核心空气动力学原理：
\[CL = \frac{S(\omega l_1 + \eta l_2 + \ldots + \eta l_n)}{S_1V_1 + \eta S_2V_2 + \ldots + \eta S_nV_n}\]
其中\(L_{\text{shroud}}\)是罩产生的升力。

**2.3 熔融沉积建模3D打印**

FDM（熔融沉积建模）是一种快速精确的3D物体制造方法。它是通过逐层挤出热塑性材料实现的。所用材料包括PLA（用于罩）和ABS（用于电机支架）。我们使用了Bambu Lab P1S 3D打印机，喷嘴标准尺寸为0.4毫米，沉积层高为0.2毫米，以获得良好的分辨率和表面质量。我们为DF（导流风扇）设计了一个带罩的外壳，其中包含两个反向旋转的风扇（上层风扇为DJI2212 920KV无刷2×9英寸叶片，下层风扇为XFlight Hobby 2807无刷电机1300Kv 3×7英寸叶片）。多元素机翼基于改良的RAF 19机翼型，包含8个元素，遵循Handley Page的模型（见图1a）。

**3 实验与结果**

油门逐渐从35%增加到55%，每个设置都有稳定期。推力性能总结见表1，而综合性能指标见表2。

**3.1 推力性能总结**

| 油门百分比 | 带罩推力 [g] | 不带罩推力 [g] | 提升百分比 |
|---------|---------|---------|---------|
| 35% | 331.5 ± 48.9 | 311.5 ± 13.3 | +6.4% |
| 40% | 444.2 ± 6.0 | 428.2 ± 28.4 | +3.7% |
| 50% | 548.6 ± 73.1 | 566.3 ± 21.2 | ?3.1% |
| 55% | 751.1 ± 7.6 | 671.0 ± 4.1 | +11.9% |

**3.2 综合性能指标**

| 配置 | 最大推力 | 最大功率 | 最佳效率 |
|-----------|---------|---------|---------|
| 双电机带罩 | 751.1 g @ 55% | 133.0 W | 7.29 g/W |
| 双电机不带罩 | 671.0 g @ 55% | 133.0 W | 6.95 g/W |
| 单电机带罩 | 511.7 g @ 50% | 85.9 W | 7.70 g/W |
| 单电机不带罩 | 414.2 g @ 50% | 81.7 W | 6.64 g/W |

**4 结论**

本研究通过精确的3D建模和先进的3D打印技术，从根本上重新思考了传统高升力Handley Page机翼与螺旋桨推进系统的集成方式，实现了空气动力性能和结构精度的提升。将转子封闭在导管内，导管风扇的推力比开放式螺旋桨提高了30%-50%，同时大幅减少了尖端涡流损失，尤其是在低速飞行时效果尤为明显。在每个推进单元中加入双电动机驱动装置进一步提高了系统可靠性，增强了任务安全性。研究得出的一些重要结论如下：罩的有效性取决于具体配置：单电机驱动时推力提升22%-24%（稳定一致），而双电机驱动时提升3.7%-11.9%（变化较大）。功率效率方面，带罩系统在所有油门设置下均具有优势：单电机驱动时提升16%-20%；双电机驱动时提升2.6%-11.9%（在最大油门时效果最佳）。在最大油门下，两者电流相同（7.9A，133 W），但带罩系统的推力增加了80克（+11.9%），实现了“免费”的性能提升。

**致谢**

本研究是为博士研究合同的一部分。作者感谢罗马尼亚科学院提供的研究支持。作者声明没有利益冲突。