高空長航時(shí)無人機(jī)后掠槳葉氣動(dòng)性能研究.pdf

1、學(xué)校代碼：10406分類號：V211學(xué)號：150608523214南昌航空大學(xué)南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文（專業(yè)學(xué)位研究生）高空高空長航時(shí)無人機(jī)長航時(shí)無人機(jī)后掠后掠槳葉氣動(dòng)槳葉氣動(dòng)性能研究研究碩士研究生：馬成宇導(dǎo)師：何國毅副教授申請學(xué)位級別：碩士學(xué)科、專業(yè)：航空工程所在單位：飛行器工程學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：南昌航空大學(xué)I摘要高空長航時(shí)無人機(jī)螺旋槳?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)，對全機(jī)綜合性能具有重要影響。但時(shí)，現(xiàn)有的螺旋槳設(shè)計(jì)，存在高速性能欠

2、佳，飛行速度在偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)氣動(dòng)效率下降很快的問題，使得定距螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)難以滿足高空長航時(shí)無人機(jī)快速爬升和快速機(jī)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。針對這一問題，本文將槳葉后掠的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于螺旋槳槳葉氣動(dòng)設(shè)計(jì)，使得高空長航時(shí)無人機(jī)既能夠低速巡航，又能夠以較快速度進(jìn)行機(jī)動(dòng)和爬升。論文完成的研究工作主要包括如下幾個(gè)方面：首先，發(fā)展了槳葉后掠螺旋槳的幾何建模和參數(shù)化方法。本文提出了在保證槳葉表面積不變的前提下，分別從無后掠槳葉展長一半處將槳葉積疊線沿著葉素扭轉(zhuǎn)角

3、方向后掠的建模方法。這種建模方法能夠保證槳葉在后掠的過程中不發(fā)生彎曲，避免了槳葉表面積不同以及槳葉彎曲對結(jié)果的影響。同時(shí)，為了尋找最優(yōu)后掠角度，發(fā)展了槳葉后掠的參數(shù)化研究方法。按照上述方法生成了5個(gè)不同后掠角度的槳葉，為保證槳尖壓縮性相同，要求5個(gè)不同后掠角度的槳葉具有相同的槳尖馬赫數(shù)，并以此為條件確定各個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速。其次，發(fā)展了針對槳葉后掠螺旋槳黏性繞流的CFD(ComputationalFluidDynamics)數(shù)值模擬方法。為

4、驗(yàn)證后掠槳葉減弱槳尖壓縮效應(yīng)的有效性，必須保證數(shù)值模擬方法能夠精確捕捉槳尖激波。本文研究發(fā)現(xiàn)除網(wǎng)格密度外，不同湍流模型對激波的捕捉能力不盡相同，研究表明Realizablekε湍流模型具有較好的激波捕捉能力。此外，通過對比常用旋轉(zhuǎn)機(jī)械數(shù)值模擬方法，確定了基于周期性邊界條件的多參考系模型定常求解槳葉后掠螺旋槳黏性繞流問題的方法。最后，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證以及數(shù)值計(jì)算結(jié)果和片條理論計(jì)算結(jié)果的校對，驗(yàn)證本文對于槳葉后掠螺旋槳黏性繞流CFD數(shù)值模

5、擬方法的正確性。最后，研究揭示了定槳距螺旋槳在偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)之后效率下降的原因，以及后掠角度對螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能的影響規(guī)律同時(shí)揭示了槳葉后掠螺旋槳的流動(dòng)機(jī)理。通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)定槳距螺旋槳在偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)之后效率下降的原因是由于來流速度增大導(dǎo)致槳葉攻角變小的緣故。通過不同后掠槳葉和無后掠槳葉螺旋槳計(jì)算結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)后掠槳葉螺旋槳拉力更大，同時(shí)推遲了效率下降的發(fā)生。參數(shù)化研究結(jié)果表明最佳后掠角度為40。通過對槳葉表面以及流場中壓力云圖的對比分析，發(fā)