螺旋桨滑流与机翼气动干扰的非定常数值模拟

基于动态面搭接网格,求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟螺旋桨滑流与机翼的干扰流动.分别对3种构型,即:单独螺旋桨十短舱构型、螺旋桨十短舱十机翼构型以及短舱十机翼构型进行流场数值模拟,对比分析了机翼对螺旋桨滑流流动结构的干扰,在滑流作用下机翼气动特性的改变以及机翼对螺旋桨桨叶气动力的影响.模拟结果表明:机翼的出现破坏了螺旋桨滑流原有的周期性,改变了其涡量分布,并且在滑流区尤其是翼根附近产生非常复杂的干扰流场;旋转的滑流改变了机翼绕流的当地迎角,从而影响机翼的气动特性,且在小前进比时影响更大.在螺旋桨一个旋转周期内机翼阻力呈现正弦状周期性变化;机翼的存在导致单片桨叶拉力略微增大,并在一个旋转周期内出现两次波动.     

共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰

为优化共轴对转螺旋桨的气动性能,研究前后桨之间复杂的非定常气动干扰,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes (URANS)方程的数值模拟方法,以及滑移网格技术,对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行了三维非定常气动干扰计算,获得了共轴对转螺旋桨的气动特性变化规律,并给出了优化气动外形及运行控制的建议.计算结果表明:来流...     

对转开式转子非定常气动干扰特性分析

采用动态面搭接技术,求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程实现对转开式转子的非定常气动数值模拟.对10片桨叶单个转子和10×10对转开式转子构型分别进行模拟,对比分析前后两个转子间的气动干扰和滑流流动干扰.结果表明:与单个转子相比,对转开式转子前转子的拉力系数和功率系数减小,后转子的拉力系数和功率系数则都增大,并在一个旋转周期内都呈现20次周期性波动.前后转子拉力系数的频谱分析显示振荡发生在桨叶通过频率的偶数倍,且在2倍时后转子拉力的振幅最大.前转子桨尖涡与后转子的周期性干扰,引起后转子桨叶力分布的变化和非定常性.与单个转子相比,前转子后滑流轴向速度偏大,周向速度偏小.后转子对滑流有二次加速及旋涡恢复作用.      

不同轴向间距对对转螺旋桨气动和声学特性的影响机理

基于非线性谐波法和声类比理论,研究了转子轴向间距对对转螺旋桨气动特性和噪声的影响规律及其物理机制.以某型对转螺旋桨为研究对象,研究了 6种具有不同转子轴向间距的对转螺旋桨模型.计算结果表明:对转螺旋桨转子轴向间距的变化对对转螺旋桨总效率有一定的影响,对总拉力系数和总功率系数影响不大.转子轴向间距的增大,对前后排转子之间的轴向速度有显著的影响,对转子后气流轴向速度影响不大.随着转子轴向间距的增大,前后排转子之间的径向速度逐渐减小,进而减弱了对转螺旋桨转子间的滑流收缩.通过改变转子轴向间距,相比最小轴向间距,对转螺旋桨噪声最大降低约10dB,干涉噪声降低约10dB以上,效率提升了 1.4％.随着转子轴向间距的增大,前排转子85％叶高处的压力面和吸力面1阶谐波压力幅值在尾缘处分别降低1 836 Pa(89％)和1 277 Pa(90％),后排转子75％叶高处的压力面和吸力面3阶谐波压力幅值在前缘处分别降低266 Pa(78％)和209 Pa(85％).     

螺旋桨飞机滑流非定常数值模拟研究

采用非定常数值模拟方法,基于滑移网格技术,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。用多块结构网格数值模拟软件,从搭接边界建立、搭接网格生成、流场插值传递3个方面对螺旋桨滑移搭接网格的数值模拟方法进行全面详细的介绍,并且阐述基于该技术的非定常数值模拟方法。在此基础上,开展螺旋桨飞机模型验证计算,分析研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响,通过与风洞实验数据的对比分析,验证滑移搭接网格技术的可行性与准确性。研究结果表明,基于滑移搭接网格技术的螺旋桨滑流数值模拟,可以真实反映螺旋桨滑流流场特性,为螺旋桨类飞机的设计评估提供一种有效的数值模拟手段,在工程方面具有重要的实用价值。     

对转螺旋桨流场和声场数值模拟研究

采用非线性谐波法耦合FW-H方程的混合噪声数值模拟方法,对某11×9的对转螺旋桨模型的气动力与噪声开展了数值模拟研究.结果表明:在起飞阶段,与单转子螺旋桨相比,对转螺旋桨的主要噪声源是由前排螺旋桨产生的叶尖涡、前缘涡和尾迹涡等涡系与后排螺旋桨相互作用产生的干涉噪声,后排螺旋桨上的非定常压力波动是干涉噪声的主要贡献源;在干涉噪声频率处,前排螺旋桨的噪声主要向下游辐射,后排螺旋桨的噪声主要向上游辐射.此外,还研究了不同积分面对对转螺旋桨噪声计算结果的影响.相比于固体壁面FW-H积分面,可穿透FW-H积分面的计算结果更接近试验数据,但是不同的积分面对转子单独噪声基本没有影响;上游积分面的变化对对转螺旋桨的噪声影响很小,但是下游积分面的变化对干涉噪声影响较大.     

螺旋桨黏性流场非定常数值模拟

基于多块结构滑移网格,采用多参考系模型（MFR）,对某六叶螺旋桨黏性流场进行了非定常数值模拟.分别建立包围螺旋桨的旋转区域和螺旋桨以外的静止区域,很好地解决了螺旋桨的相对旋转问题.计算结果与实验结果吻合良好,验证了计算方法的正确性.对前进比为0.90和0.75情况下的桨后复杂流场进行分析,得到了螺旋桨尾涡的一些静态和动态特征,螺旋桨尾涡中包含正负两层,与实验观察到的现象一致.获得了螺旋桨对桨后轴向速度分布的影响规律:螺旋桨对桨叶45%和70%半径处轴向速度增加远大于90%半径处轴向速度;随前进比减小,该区域内轴向速度继续增加,90%半径处轴向速度几乎不变.      

螺旋桨滑流与机翼气动干扰数值模拟研究

分别采用非定常方法和激励盘理论研究螺旋桨滑流对机翼的干扰作用,并对计算结果进行对比分析。非定常方法基于动态面搭接结构化网格,运用有限体积法求解非定常RANS方程。对于激励盘理论,首先采用点对点结构化网格,随单独螺旋桨旋转的方式进行非定常模拟得到螺旋桨桨叶压力分布,然后将桨叶压强分布转化为激励盘载荷分布,最后将载荷分布作为边界条件对干扰流场进行定常模拟。数值结果表明:除了在较大来流攻角时有所差异,两种方式得到的机翼气动力吻合良好;非定常方法可以得到螺旋桨与机翼的瞬时干扰流场,而激励盘理论则可以大大缩短数值模拟的时间并降低计算要求。     

涡桨飞机螺旋桨滑流气动干扰效应及流动机理

螺旋桨滑流对飞机各气动部件的干扰是涡桨飞机气动设计中面临的难点之一。以某双发涡桨支线客机为对象,采用数值模拟手段分析了滑流对机翼、平尾、垂尾的影响及其流动机理。计算采用基于动态面搭接网格技术的非定常方法,气动力与表面压力分布的计算结果均与实验值吻合良好。研究结果表明：在滑流影响下,全机升力和阻力有所增加,升阻比和纵向静稳定度有所降低,并在无侧滑状态下产生了滚转力矩和偏航力矩;在不同展向位置,滑流对机翼表面流动分离的影响存在显著的差异。在螺旋桨下行运动一侧,滑流的旋转减小了当地迎角,同时桨后气流速度较高,翼面流动分离被有效抑制。在螺旋桨上行运动一侧,滑流的旋转增大了当地迎角,而且桨后气流速度较低,因而翼面流动分离并未得到明显改善;在中小迎角下,滑流对背景飞机平尾当地的动压没有产生影响,但增加了下洗角变化率,进而导致平尾效率降低;垂尾的侧力与偏航力矩是由滑流的侧洗引起的,而滑流的侧洗又与左右两侧机翼升力分布的不对称性有关。     

涵道螺旋桨与孤立螺旋桨气动特性的 数值模拟对比

基于非结构动态嵌套网格方法,对涵道螺旋桨与孤立螺旋桨的气动特性进行了非定常Euler方程数值模拟对比研究和分析.将计算区域分成旋转区与静止区两个子域,生成相互重叠的嵌套网格,有效地解决了螺旋桨与涵道以及静止部分桨毂之间的相对旋转问题.计算结果与实验结果相一致,验证了计算方法的正确性.涵道入口前缘形成的负压区是产生涵道附加拉力的原因所在.对比计算结果表明：与孤立螺旋桨相比,涵道的存在改善了螺旋桨桨尖区域的绕流特性,减小了桨尖损失;相同转速情况下,涵道螺旋桨产生更大的拉力,而所需功率略小,涵道螺旋桨系统具有更高的气动效率.     

基于非结构重叠网格的螺旋桨滑流非定常数值模拟

基于各向异性非结构混合网格及多套网格重叠技术,通过求解非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程,分别研究了螺旋桨动力特性和螺旋桨滑流对涡桨飞机气动特性影响。运用物面相交准则实现多套网格间的挖洞,采用距离权和三线性插值技术传递重叠区变量信息,并针对定轴旋转优化了网格重叠边界。采用双时间步求解控制方程,内迭代计算采用LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)方法。模拟了单独螺旋桨旋转的非定常流动,计算的拉力系数和扭矩系数与试验结果一致,表明采用的数值方法和网格技术能有效模拟螺旋桨滑流效应。数值模拟了某涡桨飞机,对比了有无滑流下飞机的气动特性,给出了滑流对飞机影响。结果表明:滑流导致其后部气流加速和旋转,改变飞机气动特性,增大飞机的阻力和俯仰力矩,导致气流下洗,影响机翼及平尾压力分布。      

火箭发动机尾罩热分离流场的数值模拟

潜射导弹的发动机一般用尾罩加以保护以防止海水侵蚀,发动机点火后尾罩存在热分离过程,本文应用非定常数值模拟方法和动网格技术数值模拟了发动机尾喷管超声速流场的建立过程,分析了高温燃气与尾罩碰撞后反射流动对发动机防护罩的非定常载荷,计算结果表明本文计算方法可以用来数值研究广泛存在的气流瞬态冲击效应.     

适于旋翼CFD模拟的高效预定边界运动嵌套网格方法

通过引入新的预定边界嵌套策略,并结合提出的     

基于非定常面元/黏性涡粒子法的低雷诺数滑流气动干扰

针对太阳能无人机螺旋桨滑流与机翼的气动干扰,考虑了低雷诺数流动下气体黏性和压缩性影响,并根据黎曼边界条件和涡量等效原则建立了能够快速计算分析螺旋桨-机翼气动干扰的非定常面元/黏性涡粒子的混合方法。首先使用有试验数据的风洞模型以及数值模拟技术对混合方法进行验证,在此基础上研究了不同安装位置与工况下螺旋桨与机翼的气动干扰。结果表明:螺旋桨对轴向气流的加速以及滑流诱导的上洗和下洗效应使机翼气动力呈现出增升增阻的现象,机翼升阻比有所下降。较大的弦向间距以及较高的垂直安装位置在减缓机翼升阻比下降的同时也使得螺旋桨拉力有所减小。对于多个螺旋桨的气动干扰,不同的桨叶旋转方向导致机翼气动力不同的变化规律,当旋转方向与机翼翼尖涡反向时,螺旋桨滑流能够抑制翼尖涡的强度,提高机翼气动效率。     

于拼接网格的栅格舵动态特性数值模拟研究

采用基于拼接混合网格的数值计算方法,模拟了栅格舵在不同马赫数下的静态、动态气动特性,计算结果与试验的一致性说明了所采用的数值方法的有效性。通过模拟发现栅格舵的气动焦点随马赫数先向上游移动然后再向下游移动;栅格舵在不同速域下的非定常俯仰迟滞现象均不明显。     

气动热环境下多翼导弹温度场数值模拟

相比于传统高速飞行器,折叠翼飞行器除了面临常规固定翼的气动加热问题外,还面临翼展开过程中带来的局部热扰动问题,对防热设计提出严峻挑战。针对折叠翼飞行器动态展开过程中的气动热环境特性,建立了基于刚体运动理论和动态重叠网格方法的非定常数值模拟方法。通过构建折叠翼简化模型,系统分析了翼面展开过程中的非定常流场演化特征及其气动加热规律。研究结果表明：与准定常仿真计算结果相比,两种方法得到的热流分布总体上基本一致,但是在局部存在由非定常热效应产生的热流差异：随着折叠翼面展开,翼尖和翼中部处非定常热效应凸显,翼尖处热扰动与当地线速度较大有关,翼中部处热扰动与时变的波系干扰和热累积有关;飞行攻角对大折叠角度状态下翼前缘热流影响较为明显,攻角–10°与10°的热流在相同位置的差值可达相似文献