螺旋槳滑流數(shù)值模擬方法及氣動干擾研究.pdf

1、面對如今高油價帶來的燃油成本壓力和碳排放等造成的環(huán)境問題，低耗油率的螺旋槳動力系統(tǒng)重新成為航空界的研究熱點。螺旋槳飛機具有起飛滑跑距離短、爬升速度大等優(yōu)勢，可以降低軍用運輸機對機場跑道的要求。由于螺旋槳相對機翼旋轉(zhuǎn)運動的特點，螺旋槳滑流與飛機其它部件間存在著復(fù)雜的相互干擾作用，對螺旋槳飛機的氣動性能和操縱性穩(wěn)定性帶來明顯影響，是螺旋槳飛機設(shè)計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，對新型螺旋槳飛機設(shè)計

2、和氣動性能預(yù)測有著重要的意義。
　　本文發(fā)展了兩套模擬螺旋槳滑流氣動干擾作用的數(shù)值方法：一種是基于動態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)的非定常數(shù)值模擬方法；另一種是基于激勵盤理論的準(zhǔn)定常模擬方法。分別采用兩種方法，依次對螺旋槳構(gòu)型、螺旋槳機翼構(gòu)型和雙發(fā)螺旋槳飛機構(gòu)型，從滑流對飛機氣動特性的影響、機翼對滑流流動的干擾以及機翼對螺旋槳氣動特性的影響三個方面，系統(tǒng)地研究了螺旋槳滑流流動特性以及滑流與機翼等部件間存在的相互的氣動干擾作用，并對兩種計算方法進

3、行了對比分析，既增進了對螺旋槳滑流干擾機理的認(rèn)識，也為螺旋槳飛機設(shè)計提供了一個氣動性能預(yù)測工具。最后利用非定常方法對新型的對轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子設(shè)計進行了初步研究，并對降低前后轉(zhuǎn)子之間氣動干擾的設(shè)計方案進行了探索。
　　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，利用動態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)格塊之間的相對運動，解決了螺旋槳旋轉(zhuǎn)運動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，非定常時間推進采用雙時間法，采用基于動網(wǎng)格的迎風(fēng)型通量差分格式進行空間離散，并引入Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型，實現(xiàn)對非定?；鞯母呔饶M。該方法可以捕捉到非定?；髁鲃拥募?xì)節(jié)，提高了對槳尖渦和槳葉尾流的模擬精度，從而增進對螺旋槳滑流流動特性及其干擾流場的認(rèn)識。
　　2、驗證非定常數(shù)值模擬方法對螺旋槳滑流的模擬結(jié)果，并分

5、析螺旋槳滑流的流動特點。結(jié)果表明，該方法得到的螺旋槳氣動特性與實驗結(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特性，還可以準(zhǔn)確地模擬出復(fù)雜的螺旋槳滑流流動細(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)計算網(wǎng)格分布對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，實現(xiàn)了激勵盤理論在CFD計算中的應(yīng)用。結(jié)果表明，本文的激勵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現(xiàn)了激勵盤后滑流旋轉(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算時間。
　　4、分別采用非定常和激勵盤兩種模擬方法研究螺旋槳滑流與機翼之間的相互干擾作用。對氣動干擾影響和流動結(jié)構(gòu)變化進行了細(xì)致的分析，

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

8、搭接網(wǎng)格技術(shù)，應(yīng)用非定常和激勵盤方法，對更加復(fù)雜的雙發(fā)螺旋槳飛機翼身組合體構(gòu)型和增升構(gòu)型的滑流干擾作用進行研究，并對比分析螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向不同時對飛機氣動特性的影響。結(jié)果表明，螺旋槳滑流對飛機的氣動特性有明顯的增升作用，與干凈機翼相比，滑流對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)、對轉(zhuǎn)和反對轉(zhuǎn)時滑流對飛機都有一定的增升作用，反對轉(zhuǎn)時最大，順轉(zhuǎn)次之，對轉(zhuǎn)最小。激勵盤方法對該復(fù)雜構(gòu)型的滑流干

9、擾模擬結(jié)果與非定常計算結(jié)果也吻合良好，因而非常適合用于螺旋槳飛機設(shè)計階段對滑流作用下整體氣動特性的預(yù)測和工程應(yīng)用。
　　6、利用基于動態(tài)面搭接技術(shù)的非定常方法，研究對轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子設(shè)計中前、后轉(zhuǎn)子間的氣動干擾及流動特性，并探索降低前、后轉(zhuǎn)子之間氣動干擾的設(shè)計方案。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)子氣動特性的周期性變化。后轉(zhuǎn)子對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