本发明涉及电推进航空器的涵道风扇，具体涉及一种基于相似准则的涵道风扇设计方法及其装置。
背景技术：
1、在电动垂直起降航空器与新能源飞行器快速发展的背景下，涵道风扇推进系统凭借其巨大潜力，近年来备受瞩目，若想在航空器上广泛应用涵道风扇，提升其气动性能是关键。尽管压气机与风力机的相似准则研究已取得显著进展，但针对涵道风扇的相似准则研究仍显匮乏。在大尺寸涵道风扇的研发过程中，受限于场地、设备及计算资源，相关研究面临重重挑战。因此，开展基于不同相似理论框架下的原型涵道风扇与缩尺涵道风扇气动性能评估研究，对于降低试验成本、缩短研发周期及精准获取气动性能参数具有重要意义。
2、发明人发现，现有技术存在以下缺点：(1)针对小型涵道风扇气动性能的研究较多，多应用于电动垂直起降(evtol)航空器领域；然而，小型涵道风扇由于推力小、转速高，难以直接应用于大型电推进飞行器领域。在大型涵道风扇的研究领域，相关文献和专利较少，缺乏针对大型涵道风扇完整的气动性能预测体系，这使得在大型涵道风扇的设计过程中，难以准确预测其气动性能参数，增加了设计难度和研发成本。(2)尽管相似准则在工程设计中有广泛应用，但在涵道风扇设计领域，尤其是大型涵道风扇的设计中，相似准则的系统应用和研究还相对不足，这导致设计者难以通过模型试验预测原型机的性能，难以借助已成熟的小型涵道风扇快速设计大型涵道风扇，从而无法在设计初期快速定位设计问题并进行优化。(3)现有的涵道风扇仍然存在气动性能、气动效率有待进一步提高的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于相似准则的涵道风扇设计方法及其装置，其以设定的小型涵道风扇为原型对象，通过气动性能仿真模拟获取小型涵道风扇气动性能信息作为基础气动信息，根据实际情况对所需大型涵道风扇的尺寸范围及性能范围进行确定，进一步基于相似理论对大型涵道风扇的气动性能进行快速预测，确定其几何尺寸、转速及来流速度；然后通过对大型涵道风扇的数值模拟，进一步确定大型涵道风扇的气动性能，达到节约计算成本和缩短计算周期的目的，能够推广到对大型涵道风扇的快速设计与性能预测的研发。同时，还能够提高涵道风扇的气动性能、效率。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
3、一种基于相似准则的涵道风扇设计方法，其包括以下步骤：
4、步骤s1：获取已知小型涵道风扇的基本信息，基本信息至少包括几何模型信息、转速信息和工作状态信息；
5、步骤s2：根据基本信息构建已知小型涵道风扇的几何模型；
6、步骤s3：对已有小型涵道风扇构建数值计算模型，实现稳态流场数值模拟计算，得到小型涵道风扇的基本气动性能信息；
7、步骤s4：采用量纲分析法获得涵道风扇气动性能相似关系；
8、步骤s5：获取目标大型涵道风扇的基本信息，基本信息至少包括几何尺寸范围信息、转速范围信息和工作状态范围信息；
9、步骤s6：根据小型涵道风扇气动性能结果、目标小型涵道风扇的性能与相似关系，预测目标推力大型涵道风扇的基本信息，基本信息包括几何尺寸信息、转速信息及来流风速信息；
10、步骤s7：根据推算的大型涵道风扇的几何尺寸信息，构建大型涵道风扇几何模型；
11、步骤s8：对推算大型涵道风扇构建数值计算模型，实现稳态流场数值模拟计算，得到大型涵道风扇的基本气动性能信息。
12、进一步地，所述步骤s2中，根据已知气动性能的小型涵道风扇的实际结构信息，提取主要结构，忽略与简化对流体仿真不重要的部件，并建立外流场区域；步骤s3中，在对已知小型涵道风扇流体域进行网格划分及网格无关性验证时，选择合适的湍流模型及合适的边界条件，开展不同工况下的稳态数值模拟计算，进而获取不同工况下的小型涵道风扇的气动性能信息；步骤s6中，还包括：预测目标推力大型涵道风扇的基本信息后，基于预测结果和所需目标，定制目标大型涵道风扇的设计优化方案；。
13、进一步地，所述步骤s7中，对推算的大型涵道风扇与小型涵道风扇之间的比例关系，利用三维建模软件进行快速比例缩小或放大，完成大型涵道风扇几何模型的构建；步骤s8中，在对推算大型涵道风扇流体域进行网格划分及网格无关性验证时，选择合适的湍流模型及合适的边界条件，开展不同工况下的稳态数值模拟计算，进而获取不同工况下的大型涵道风扇的气动性能信息；还包括：根据数值计算所得大型涵道风扇的基本气动性能信息，确认获得符合目标要求的大型涵道风扇模型。
14、一种基于相似准则的涵道风扇设计系统，其包括：信息获取模块、几何模型构建模块、气动性能仿真模块、相似关系推算模块和方案优化模块；
15、信息获取模块用于获取已知小型涵道风扇的基本信息和目标大型涵道风扇的基本信息，基本信息至少包括小型涵道风扇几何模型信息、小型涵道风扇气动性能信息、大型涵道风扇几何尺寸范围信息、大型涵道风扇转速范围信息和大型涵道风扇工作状态范围信息；几何模型构建模块用于建立已知涵道风扇和推算后的大型涵道风扇几何模型；气动性能仿真模块用于对已知涵道风扇和推算后的大型涵道风扇实现稳态数值计算，获得已知小型涵道风扇和推算后的大型涵道风扇的气动性能；相似关系推算模块用于结合涵道风扇流场实际情况，选取并推算出合适的小型涵道风扇与大型涵道风扇之间的气动相似关系；方案优化模块用于预测目标大型涵道风扇在不同尺寸下的气动性能后，基于气动性能的预测结果，定制目标涵道风扇的尺寸、转速具体设计方案。
16、一种基于相似准则设计的涵道风扇，其包括罩壳(1)、电机部(2)、导流锥部(3)、叶轮(4)、前导叶(5)、后导叶(6)，叶轮设置于导流锥部与电机部之间，叶轮包括轮毂、叶片，多个叶片沿轮毂外周面分布，导流锥部外周面通过多个沿周向分布的前导叶与罩壳的内周面相连接，电机部外周面通过多个沿周向分布的后导叶与罩壳的内周面相连接；其特征在于：前导叶(5)包括第一前导叶、第二前导叶，多个第一前导叶、多个第二前导叶沿周向交替间隔设置，前导叶由第一导叶部(51)和第二导叶部(52)构成，第一导叶部设置于第二导叶部的径向外侧，且第一导叶部、第二导叶部的径向长度为前导叶整体径向长度的40％-60％；第一前导叶仅在其第一导叶部(51)设置有第一三维扭曲叶片部(53)，第一前导叶的第二导叶部(52)设置为二维叶片部，第二前导叶仅在其第二导叶部设置有第二三维扭曲叶片部(54)，第二前导叶的第一导叶部设置为二维叶片部。
17、进一步地，所述第一三维扭曲叶片部(53)的覆盖范围大致为第一导叶部(51)的整个径向长度，第二三维扭曲叶片部(54)的覆盖范围大致为第二导叶部(52)的整个径向长度。
18、进一步地，相对于二维叶片部，第一三维扭曲叶片部(53)向着其相邻的二维叶片部的周向右侧延伸设置；相对于二维叶片部，第二三维扭曲叶片部(54)向着其相邻的二维叶片部的周向右侧延伸设置，也即第一三维扭曲叶片部、第二三维扭曲叶片部的倾斜延伸方向一致或相同。
19、进一步地，所述第一三维扭曲叶片部(53)的叶片进口角小于其叶片出口角，第二三维扭曲叶片部(54)的叶片进口角小于其叶片出口角；且第一三维扭曲叶片部(53)的叶片进口角等于或大于第二三维扭曲叶片部(54)的叶片进口角，第一三维扭曲叶片部(53)的叶片出口角大于第二三维扭曲叶片部(54)的叶片出口角。
20、进一步地，所述第一导叶部(51)、第二导叶部(52)的径向长度为前导叶(5)整体径向长度的50％。
21、本发明的一种基于相似准则的涵道风扇设计方法及其装置，其以设定的小型涵道风扇为原型对象，通过气动性能仿真模拟获取小型涵道风扇气动性能信息作为基础气动信息，根据实际情况对所需大型涵道风扇的尺寸范围及性能范围进行确定，进一步基于相似理论对大型涵道风扇的气动性能进行快速预测，确定其几何尺寸、转速及来流速度；然后通过对大型涵道风扇的数值模拟，进一步确定大型涵道风扇的气动性能，达到节约计算成本和缩短计算周期的目的，能够推广到对大型涵道风扇的快速设计与性能预测的研发。
22、本发明通过前导叶的优化设计，能够减少前导叶流道间的涡流，减少前导叶叶顶部、叶根部的碰撞流、涡流，提高前导叶的导流效果，减少涡流所导致的流动损失，从而能够提高涵道风扇的气动性能、效率。
1.一种基于相似准则的涵道风扇设计方法，其包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于相似准则的涵道风扇设计方法，其特征在于，所述步骤s2中，根据已知气动性能的小型涵道风扇的实际结构信息，提取主要结构，忽略与简化对流体仿真不重要的部件，并建立外流场区域；步骤s3中，在对已知小型涵道风扇流体域进行网格划分及网格无关性验证时，选择合适的湍流模型及合适的边界条件，开展不同工况下的稳态数值模拟计算，进而获取不同工况下的小型涵道风扇的气动性能信息；步骤s6中，还包括：预测目标推力大型涵道风扇的基本信息后，基于预测结果和所需目标，定制目标大型涵道风扇的设计优化方案；。
3.如权利要求2所述的一种基于相似准则的涵道风扇设计方法，其特征在于，所述步骤s7中，对推算的大型涵道风扇与小型涵道风扇之间的比例关系，利用三维建模软件进行快速比例缩小或放大，完成大型涵道风扇几何模型的构建；步骤s8中，在对推算大型涵道风扇流体域进行网格划分及网格无关性验证时，选择合适的湍流模型及合适的边界条件，开展不同工况下的稳态数值模拟计算，进而获取不同工况下的大型涵道风扇的气动性能信息；还包括：根据数值计算所得大型涵道风扇的基本气动性能信息，确认获得符合目标要求的大型涵道风扇模型。
4.一种基于相似准则的涵道风扇设计系统，其基于如权利要求3所述的一种基于相似准则的涵道风扇设计方法，其包括：信息获取模块、几何模型构建模块、气动性能仿真模块、相似关系推算模块和方案优化模块；
5.一种基于相似准则设计的涵道风扇，其包括罩壳(1)、电机部(2)、导流锥部(3)、叶轮(4)、前导叶(5)、后导叶(6)，叶轮设置于导流锥部与电机部之间，叶轮包括轮毂、叶片，多个叶片沿轮毂外周面分布，导流锥部外周面通过多个沿周向分布的前导叶与罩壳的内周面相连接，电机部外周面通过多个沿周向分布的后导叶与罩壳的内周面相连接；其特征在于：前导叶(5)包括第一前导叶、第二前导叶，多个第一前导叶、多个第二前导叶沿周向交替间隔设置，前导叶由第一导叶部(51)和第二导叶部(52)构成，第一导叶部设置于第二导叶部的径向外侧，且第一导叶部、第二导叶部的径向长度为前导叶整体径向长度的40％-60％；第一前导叶仅在其第一导叶部(51)设置有第一三维扭曲叶片部(53)，第一前导叶的第二导叶部(52)设置为二维叶片部，第二前导叶仅在其第二导叶部设置有第二三维扭曲叶片部(54)，第二前导叶的第一导叶部设置为二维叶片部。
6.如权利要求5所述的一种基于相似准则设计的涵道风扇，其特征在于，所述第一三维扭曲叶片部(53)的覆盖范围大致为第一导叶部(51)的整个径向长度，第二三维扭曲叶片部(54)的覆盖范围大致为第二导叶部(52)的整个径向长度。
7.如权利要求6所述的一种基于相似准则设计的涵道风扇，其特征在于，相对于二维叶片部，第一三维扭曲叶片部(53)向着其相邻的二维叶片部的周向右侧延伸设置；相对于二维叶片部，第二三维扭曲叶片部(54)向着其相邻的二维叶片部的周向右侧延伸设置，也即第一三维扭曲叶片部、第二三维扭曲叶片部的倾斜延伸方向一致或相同。
8.如权利要求7所述的一种基于相似准则设计的涵道风扇，其特征在于，所述第一三维扭曲叶片部(53)的叶片进口角小于其叶片出口角，第二三维扭曲叶片部(54)的叶片进口角小于其叶片出口角；且第一三维扭曲叶片部(53)的叶片进口角等于或大于第二三维扭曲叶片部(54)的叶片进口角，第一三维扭曲叶片部(53)的叶片出口角大于第二三维扭曲叶片部(54)的叶片出口角。
9.如权利要求5所述的一种基于相似准则设计的涵道风扇，其特征在于，所述第一导叶部(51)、第二导叶部(52)的径向长度为前导叶(5)整体径向长度的50％。
