螺旋槳滑流數(shù)值模擬方法及氣動(dòng)干擾研究.pdf

1、面對(duì)如今高油價(jià)帶來的燃油成本壓力和碳排放等造成的環(huán)境問題，低耗油率的螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)重新成為航空界的研究熱點(diǎn)。螺旋槳飛機(jī)具有起飛滑跑距離短、爬升速度大等優(yōu)勢(shì)，可以降低軍用運(yùn)輸機(jī)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的要求。由于螺旋槳相對(duì)機(jī)翼旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，螺旋槳滑流與飛機(jī)其它部件間存在著復(fù)雜的相互干擾作用，對(duì)螺旋槳飛機(jī)的氣動(dòng)性能和操縱性穩(wěn)定性帶來明顯影響，是螺旋槳飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中必須考慮的重要問題。發(fā)展螺旋槳滑流干擾數(shù)值模擬方法，研究滑流干擾作用，對(duì)新型螺旋槳飛機(jī)設(shè)計(jì)

2、和氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)有著重要的意義。
　　本文發(fā)展了兩套模擬螺旋槳滑流氣動(dòng)干擾作用的數(shù)值方法：一種是基于動(dòng)態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)的非定常數(shù)值模擬方法；另一種是基于激勵(lì)盤理論的準(zhǔn)定常模擬方法。分別采用兩種方法，依次對(duì)螺旋槳構(gòu)型、螺旋槳機(jī)翼構(gòu)型和雙發(fā)螺旋槳飛機(jī)構(gòu)型，從滑流對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響、機(jī)翼對(duì)滑流流動(dòng)的干擾以及機(jī)翼對(duì)螺旋槳?dú)鈩?dòng)特性的影響三個(gè)方面，系統(tǒng)地研究了螺旋槳滑流流動(dòng)特性以及滑流與機(jī)翼等部件間存在的相互的氣動(dòng)干擾作用，并對(duì)兩種計(jì)算方法進(jìn)

3、行了對(duì)比分析，既增進(jìn)了對(duì)螺旋槳滑流干擾機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也為螺旋槳飛機(jī)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)工具。最后利用非定常方法對(duì)新型的對(duì)轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究，并對(duì)降低前后轉(zhuǎn)子之間氣動(dòng)干擾的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探索。
　　本文的具體研究工作包括：
　　1、發(fā)展了一套滿足螺旋槳滑流干擾機(jī)理研究的非定常數(shù)值模擬方法。該方法基于多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用動(dòng)態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，解決了螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)給滑流干擾模擬研究帶來的難題。在

4、慣性系下求解非定常Navier-Stokes(N-S)控制方程，數(shù)值離散采用有限體積法，非定常時(shí)間推進(jìn)采用雙時(shí)間法，采用基于動(dòng)網(wǎng)格的迎風(fēng)型通量差分格式進(jìn)行空間離散，并引入Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)非定?；鞯母呔饶M。該方法可以捕捉到非定常滑流流動(dòng)的細(xì)節(jié)，提高了對(duì)槳尖渦和槳葉尾流的模擬精度，從而增進(jìn)對(duì)螺旋槳滑流流動(dòng)特性及其干擾流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)。
　　2、驗(yàn)證非定常數(shù)值模擬方法對(duì)螺旋槳滑流的模擬結(jié)果，并分

5、析螺旋槳滑流的流動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)果表明，該方法得到的螺旋槳?dú)鈩?dòng)特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，并且，利用非定常數(shù)值模擬方法不僅可以得到螺旋槳的氣動(dòng)特性，還可以準(zhǔn)確地模擬出復(fù)雜的螺旋槳滑流流動(dòng)細(xì)節(jié)，并獲得螺旋槳旋轉(zhuǎn)過程中槳葉力和滑流發(fā)展的非定常周期性規(guī)律。此外，滑流區(qū)計(jì)算網(wǎng)格分布對(duì)滑流中槳尖渦和槳葉尾流的捕捉精度有較大影響。
　　3、發(fā)展了一套基于激勵(lì)盤理論的準(zhǔn)定?；髂M方法。根據(jù)螺旋槳槳葉載荷分布建立激勵(lì)盤面上軸向載荷和旋向載荷分布模型，將其

6、作為邊界條件加入到 CFD求解程序中，實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)盤理論在CFD計(jì)算中的應(yīng)用。結(jié)果表明，本文的激勵(lì)盤載荷分布模型可以準(zhǔn)確地模擬滑流作用，并且旋向載荷的加入不僅實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)盤后滑流旋轉(zhuǎn)的模擬，還提高了滑流模擬的精確度。與非定常數(shù)值模擬方法相比，激勵(lì)盤方法降低了滑流數(shù)值模擬的難度，并在很大程度上縮短了計(jì)算時(shí)間。
　　4、分別采用非定常和激勵(lì)盤兩種模擬方法研究螺旋槳滑流與機(jī)翼之間的相互干擾作用。對(duì)氣動(dòng)干擾影響和流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了細(xì)致的分析，

7、結(jié)果表明，螺旋槳后氣流動(dòng)壓的增大，以及氣流旋轉(zhuǎn)帶來的機(jī)翼當(dāng)?shù)毓ソ堑母淖儯瑫?huì)帶來滑流區(qū)內(nèi)機(jī)翼表面壓強(qiáng)分布的改變，進(jìn)而影響機(jī)翼的氣動(dòng)特性。反之，機(jī)翼也會(huì)給上游的槳葉的氣動(dòng)特性帶來影響。機(jī)翼阻礙了螺旋槳滑流的旋轉(zhuǎn)，在機(jī)翼的上下表面槳尖渦的流向和展向位置都存在明顯的錯(cuò)位現(xiàn)象。非定常方法可以獲得氣動(dòng)力的變化過程和受干擾后滑流流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化的細(xì)節(jié)。激勵(lì)盤方法計(jì)算得到的氣動(dòng)力和滑流流動(dòng)結(jié)果與非定常計(jì)算的時(shí)均結(jié)果非常吻合。
　　5、結(jié)合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)面

8、搭接網(wǎng)格技術(shù)，應(yīng)用非定常和激勵(lì)盤方法，對(duì)更加復(fù)雜的雙發(fā)螺旋槳飛機(jī)翼身組合體構(gòu)型和增升構(gòu)型的滑流干擾作用進(jìn)行研究，并對(duì)比分析螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向不同時(shí)對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明，螺旋槳滑流對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)特性有明顯的增升作用，與干凈機(jī)翼相比，滑流對(duì)增升裝置的增升效果更為明顯，因而有助于在起降階段提高爬升速度，縮短滑跑距離。雙發(fā)螺旋槳順轉(zhuǎn)、對(duì)轉(zhuǎn)和反對(duì)轉(zhuǎn)時(shí)滑流對(duì)飛機(jī)都有一定的增升作用，反對(duì)轉(zhuǎn)時(shí)最大，順轉(zhuǎn)次之，對(duì)轉(zhuǎn)最小。激勵(lì)盤方法對(duì)該復(fù)雜構(gòu)型的滑流干

9、擾模擬結(jié)果與非定常計(jì)算結(jié)果也吻合良好，因而非常適合用于螺旋槳飛機(jī)設(shè)計(jì)階段對(duì)滑流作用下整體氣動(dòng)特性的預(yù)測(cè)和工程應(yīng)用。
　　6、利用基于動(dòng)態(tài)面搭接技術(shù)的非定常方法，研究對(duì)轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中前、后轉(zhuǎn)子間的氣動(dòng)干擾及流動(dòng)特性，并探索降低前、后轉(zhuǎn)子之間氣動(dòng)干擾的設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，前轉(zhuǎn)子槳尖渦和槳葉尾流引起后轉(zhuǎn)子槳葉力載荷分布的非定常振蕩，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子氣動(dòng)特性的周期性變化。后轉(zhuǎn)子對(duì)滑流有二次加速和導(dǎo)直作用。通過調(diào)整前后轉(zhuǎn)子槳葉數(shù)，避免前轉(zhuǎn)子槳