复合材料螺旋桨扭转变形对推力脉动影响研究

本文基于面元法和有限元法,采用Fortran和Python语言混合编程,开发了求解复合材料螺旋桨稳态流固耦合的自迭代算法,并以某碳纤维桨为对象开展了静态加载变形试验和水动力性能试验,对自迭代算法有限元计算精度和水动力计算精度进行了试验验证。在此基础之上以大侧斜的4383复合材料螺旋桨为研究对象,采用该算法对4383复合材料螺旋桨在设计工况下的螺距角变化量和推力系数差值之间的对应规律进行了研究,结果表明大侧斜的4383复合材料螺旋桨能够有效降低推力脉动。     

直航和回转工况下吊舱推进器水动力性能数值计算方法研究

为了探索吊舱推进器在回转工况下的水动力性能变化规律,采用全结构化网格离散计算域,基于RANS方法结合SST[k-ω]湍流模型和滑移网格技术计算了吊舱推进器在直航和回转工况下的水动力性能,并与试验数据进行了对比,进一步详细分析了螺旋桨和吊舱之间的相互干扰作用。结果表明,RANS方法结合全结构化网格可以较精确地预报直航和回转工况下的水动力性能,设计工况下计算值与试验数据的偏差在[±3%]以内;由于螺旋桨与吊舱之间的强烈相互干扰作用,吊舱桨的瞬时推力系数和扭矩系数成周期性变化,波动频率与桨叶数相等;直航状态下,吊舱桨的推力系数和扭矩系数最小,其值随回转角的增大而增大;而吊舱单元的推力系数随回转角的增大而减小;吊舱单元的横向力系数最小,基本上为0,其值随回转角的增大而迅速增大。     

基于势流理论的螺旋桨效率-噪声样本分析方法

为了提高效率、降低噪声，螺旋桨设计需要在精确的性能预报基础上，平衡不同参数对设计目标带来的影响。本文以面元法为主要手段预报CLT桨的水动力性能，并引入噪声模型进行噪声预报。整个过程以4叶CLT（Contracted and Loaded Tip）桨—P1727桨为母型桨，在螺距比为原桨螺距比0.9~1.2倍范围内，考虑3叶、4叶、5叶三种叶数形式，最终计算100个设计桨案例的水动力性能和噪声性能。设计桨最终满足某中型船的推力要求，并寻找螺旋桨最小叶尖涡流噪声-最大效率解集。计算结果表明，在固定推力值的情况下，螺旋桨叶数与噪声成反比趋势，效率与噪声性能受螺距比影响，并呈现出一定的规律性。对于高效桨P1727而言，改变螺距比与叶数会使效率与噪声存在一定的平衡范围，可以应对不同的设计要求。     

高空长航时无人机螺旋桨后掠桨叶气动研究

由于螺旋桨高速性能欠佳,飞行速度在偏离设计点时气动效率下降很快,以螺旋桨为推进系统的高空长航时无人机难以满足快速爬升和快速机动的设计要求。针对这一问题,将桨叶后掠设计方法应用于高空长航时无人机螺旋桨上,在无后掠桨叶的基础上,分别设计了后掠角为10°、20°、30°、40°、50°五个后掠桨叶。基于周期性边界条件和多重参考系方法求解三维N-S方程,对不同后掠桨叶的气动性能进行了计算。根据计算结果,分析了无后掠螺旋桨气动性能下降的原因和后掠对桨叶气动性能的影响。研究结果表明:高空长航时无人机螺旋桨气动性能下降的原因是定桨距螺旋桨桨叶迎角随飞行速度提高而减小以及桨尖压缩效应的影响;后掠桨叶能提供更大的拉力但也需要更大的功率,当后掠角度处在30°和50°之间时,螺旋桨高速性能最好;后掠桨叶螺旋桨的气动性能受迎角变化、桨尖三维效应、桨尖激波强度、激波-附面层干扰综合影响。     

螺旋桨的优化设计

结合对某型螺旋桨的改型设计,运用Betz优化理论发展了一套螺旋桨优化设计方法及设计和性能计算程序。将设计得到的螺旋桨进行缩尺模型吹风试验,结果表明所设计的螺桨性能在起飞／爬升状态及巡航状态比原桨均提高3％。     

螺旋桨滑流对发动机进气道气动性能的影响

针对螺旋桨/短舱/进气道一体化构型,采用多重参考系(MRF)法和滑移网格非定常法进行了数值模拟研究,实现了螺旋桨/短舱/进气道一体化内外流耦合流场仿真,研究了不同工况下螺旋桨滑流对进气道气动性能的影响,并与无桨构型的进气道性能进行了对比,最后通过数值分析解释了螺旋桨桨盘后总压上升的原因。结果表明:多重参考系法和滑移网格非定常法对进气道出口的时均参数的计算结果吻合较好,多重参考系法可用于螺旋桨及进气道的气动性能参数计算;螺旋桨做功使进气道总压恢复系数增高,螺旋桨转速越大,总压恢复系数的增量就越大,且螺旋桨滑流使进气道出口畸变指数明显增大;通过数值分析推导的桨盘前后总压关系公式与仿真结果的误差均在3%以内。      

桨间距对某型共轴对转螺旋桨气动性能的影响

为掌握共轴对转螺旋桨的桨间气动干扰规律，降低桨间气动干扰强度，提升共轴对转螺旋桨的气动性能，基于非定常雷诺平均Navier-Stocks方程耦合湍流模型的计算方法，并使用了滑移网格技术，研究了4种不同桨间距的6×6构型对转螺旋桨的桨间气动干扰对其气动性能的影响，桨间距选择了4种不同方案。研究结果表明：在4种不同的轴向桨间距中，当桨间距为0.25倍螺旋桨直径时，共轴对转螺旋桨的平均推进效率最高，并且气动干扰导致的效率脉动幅度较小；随着桨间距的增大，前、后排桨受到的气动干扰强度都会减小，相比于后桨，前桨因气动干扰造成的脉动对桨间距更加敏感。可见共轴对转螺旋桨的桨间距会对螺旋桨的气动干扰，及气动性能产生较为明显的影响，在设计共轴对转螺旋桨时选择合适的桨间距，有利于提高螺旋桨气动性能。     

后桨桨距角对某共轴对转螺旋桨性能影响规律研究

共轴对转螺旋桨的桨距角对前后排桨的桨间气动干扰有重要影响,能够改变螺旋桨的气动性能。为了研究后桨桨距角对共轴对转螺旋桨的气动干扰影响,改善螺旋桨的气动性能,在来流马赫数0.453 的情况下,通过调节后桨桨距角的方式对6×6 构型的共轴对转螺旋桨进行数值计算,数值计算中使用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯（URANS）方程结合SST 湍流模型的方法,并采用T-Rex 高质量网格生成技术研究桨距角对共轴对转螺旋桨桨间气动干扰的变化规律。结果表明：后桨在前排桨产生的预旋气流作用下,能够吸收一部分前桨的切向滑流能量,且气动效率高于前桨,前后桨的气动参数在一个旋转周期内出现12 次周期性波动;共轴对转桨的前后桨转速相同时,前桨桨距角不变,减小后桨桨距角,前后桨的气动效率都会增加,后桨效率提升明显。     

基于气动载荷分布的螺旋桨诱导流场重构设计

基于分布式电推进飞行器创新性发展理念,以螺旋桨滑流耦合下机翼气动效率最优为目标开展螺旋桨诱导流场重构设计研究。首先,通过构建基于动量源方法的准定常数值模拟技术,建立了螺旋桨桨盘载荷分布与诱导流场特性之间的联系;然后,基于对螺旋桨桨盘气动载荷分布曲线的参数化控制,提出了螺旋桨诱导流场重构优化设计思想及设计方法;最后,通过相关设计结果的对比分析验证了所提出螺旋桨诱导流场重构设计思想及设计方法的有效性和可靠性。结果表明：与等拉力最小诱导损失螺旋桨相比较,基于所提出诱导流场重构设计思想设计得到的螺旋桨最优气动载荷分布耦合下的机翼气动效率得到显著改善,在本文设计状态下,机翼翼段计算升力相对提高10.40%,计算阻力相对降低7.05%,计算升阻比相对增大18.77%。     

基于铺覆模拟的复合材料螺旋桨叶片实体有限元建模分析

为了评估复合材料螺旋桨叶片在铺覆时纤维取向改变对性能的影响,基于Fibersim软件的铺覆模拟结果建立了复合材料螺旋桨叶片的实体有限元模型,并与不考虑纤维取向改变时的有限元计算结果进行对比。结果表明:不考虑纤维取向改变时叶片固有频率及均布压力下最大位移误差小于5%,但热载荷下考虑真实纤维方向时的最大变形量约为不考虑真实纤维方向时的2倍,叶片局部区域0°、45°、-45°方向铺层的纤维角度偏差超过了25°。在进行复合材料螺旋桨叶片有限元分析时应基于铺覆后的真实纤维方向。