对转涵道风扇桨叶高效设计方法

基于叶素动量理论的对转涵道风扇桨叶设计方法虽然设计速度快，但设计精度不高。为提高设计方法的设计精度，同时保留设计的快速性，通过CFD计算对基于叶素动量理论的桨叶快速设计方法进行修正，提出一种耦合CFD修正的对转涵道风扇桨叶高效设计方法。通过CFD计算与修正设计的不断迭代，可使设计结果收敛至CFD计算结果，得到满足设计要求的桨叶。结果表明：MRF方法对对转涵风扇性能的求解精度不足，需采用非定常CFD方法。而通过CFD计算结果修正桨叶的拉力占比、入流角及叶素气动力后，对转涵道风扇总拉力设计精度提高10.4%，扭矩设计精度提高18.2%。文中提出的高效设计方法只需进行少量的CFD计算修正便能较好地满足设计要求，进行加速处理后，设计效率进一步提高25%。     

耦合多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼设计

以某型手抛式太阳能无人机(UAV)模型为对象进行考虑多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼平面形状设计研究。首先,基于升力面理论发展了准定常求解多螺旋桨/机翼相互气动干扰问题的涡格法(VLM)程序,并采用建立参考翼型气动特性数据库的形式发展了相关低雷诺数修正(LRC)方法;然后,通过对翼型、低雷诺数机翼及单螺旋桨/机翼算例的数值模拟及与相关实验结果的对比,验证了本文数值方法具备模拟低雷诺数复杂流动问题的可靠性及准确性;最后,对某型手抛式太阳能无人机简化拉力多螺旋桨/机翼模型进行了直接优化设计及反设计,并通过具有较高精度的CFD准定常求解技术对优化结果进行了验证。结果表明:以CFD方法计算结果为参考,本文涡格法程序及低雷诺数修正方法能够准确高效地计算相关低雷诺数复杂流动问题;传统未考虑多螺旋桨滑流影响的设计机翼在实际螺旋桨工作状态下将偏离设计点,机翼气动特性得不到提高;考虑螺旋桨滑流影响的优化设计方法能够有效改善机翼阻力特性,相对应地,在设计状态下优化机翼总阻力能够降低19.52counts。     

旋翼螺旋桨巡航及悬停状态气动特性研究

为了提高旋翼螺旋桨的综合气动性能,本文基于叶素-动量组合理论,并耦合了计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）方法,设计了一款旋翼螺旋桨,进行了螺旋桨巡航及悬停状态的气动特性计算及流场仿真,计算结果与风洞试验数据进行了对比分析。研究结果表明,在进行网格无关性研究基础上,数值计算与风洞试验的误差较小,设计点平均计算误差为3.0%左右,所采用的CFD计算方法具有较高准确性和可信度。设计的旋翼螺旋桨巡航效率高于80%,悬停效率高于70%,具备了较好的巡航及悬停的综合气动性能。     

基于一种贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动优化设计

为了在可接受时长内获得高空螺旋桨气动方案的最优解，提出一种基于贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动外形优化设计方法。该方法以拉丁超立方抽样获取螺旋桨气动外形参数的初始样本点，建立以该参数为输入、数值模拟获取螺旋桨气动性能为输出的初代高斯过程模型；以遗传算法和三种并行加点准则构成的子优化获取新样本点，求取新样本点的气动性能，并更新样本数据和高斯过程模型。该方法可以使新样本点快速向最优解附近集中，从而提高最优解附近的模型近似精度。为验证模拟方法，加工了某高空螺旋桨进行地面试验。与模拟结果相比，试验推力平均误差2.34%、扭矩平均误差3.33%。以课题组自研的6个低雷诺数翼型为基础，使用该方法对某高空太阳能无人机螺旋桨进行优化设计，优化结果显示：螺旋桨在设计点推力提高9.24%、效率提高8.13%。研究结果表明，该方法对高空螺旋桨优化设计及相关工程应用具有较强的参考价值。     

基于最佳环量分布的螺旋桨滑流影响预测

为了更加快速且准确地预测螺旋桨滑流对机翼气动系数的影响,提出了基于最佳环量分布并结合激励盘数值模拟技术实现螺旋桨滑流影响预测的方法,选择Prandtl最佳环量分布解析法并在此基础上提出了一种桨毂修正办法,从而得到桨盘的最佳环量分布解析式。将采用不同方法计算螺旋桨压力阶跃分布作为激励盘模型的边界条件,采用CFD数值模拟得到了一种典型的桨-翼组合体的气动参数。结果表明,本文提出的修正方法预测结果更接近于试验数据,升力系数的相对误差不超过3%,阻力系数的相对误差不超过20%。这种方法具有不依赖试验数据、低计算资源消耗的优势,对飞机概念设计初期快速确定螺旋桨滑流对机翼气动系数的影响方面具有优势。     

共轴对转螺旋桨气动与噪声特性研究进展

共轴对转螺旋桨由于拉力大、气动效率高而备受人们的关注。本文从共轴对转螺旋桨的试验研究、气动性能评估、气动模拟、气动噪声预测、气动噪声优化设计等方面进行了综述。首先，总结了目前国内外在共轴对转螺旋桨气动及噪声方面的试验成果；随后，介绍了共轴对转螺旋桨气动力计算的工程方法，并详细阐述了北京航空航天大学陆士嘉实验室提出的共轴对转螺旋桨气动力评估的片条理论发展与参数选择；然后，介绍了共轴对转螺旋桨数值模拟方法，并针对共轴对转螺旋桨气动噪声预测的频域方法和时域方法进行了论述；最后，介绍了目前共轴对转螺旋桨气动噪声优化设计的研究成果。     

旋翼气动力数值模拟准确度影响因素计算

针对旋翼气动力CFD计算时的一些常见影响因素的选择问题,进行了数值计算讨论.计算求解器选择自研代码,该代码采用基于共享内存(OMP)的并行化方法,在嵌套网格系统下求解Navier-Stokes方程,空间方向上使用2阶迎风格式,时间方向采用双时间方法.讨论的问题包括背景网格数目对悬停桨尖涡捕捉、对前飞状态激波捕捉和气动力的影响,远场动量理论修正作用对计算结果影响等.对于讨论的不同网格数目情况下,计算的悬停状态旋翼拉力差异在6%左右,扭矩差异2.6%左右,旋翼前飞阻力和扭矩最大差异为2.58%和3.28%.是否采用动量修正旋翼拉力相差3%~5%.通过计算,给出了针对以上因素计算结果差异的范围,可以为旋翼气动力计算工作提供一定的参考.      

基于扭矩平衡的涵道风扇垂直起降无人机新概念设计

针对应用于短距／垂直起降飞机的涵道风扇升力系统进行了特性分析与应用研究,对涵道螺旋桨常规的动量一叶素理论计算模型进行了修正处理,建立了适用于总体设计阶段特性估算的计算模型。应用CFD技术对单独螺旋桨和涵道螺旋桨进行了不同流动状态下的特性计算,总结了其变化规律,并基于CFD滑流区诱导速度计算结果对前面建立的理论计算模型进行了二次修正。最后提出了一种基于扭矩平衡的涵道风扇垂直起降无人机新概念,在总体设计层面进行了参数分析与优化。     

一种无人机螺旋桨的快速优化设计方法

针对某四叶桨无人机的飞行性能要求,将Betz条件和遗传算法相结合,开展了一套最佳螺旋桨的快速优化设计方法研究.先利用关于最佳螺旋桨的Betz条件,得到桨叶弦长及安装角的初始径向分布,以此作为遗传算法初始种群采用遗传算法进一步优化,得到桨叶弦长及安装角的最优径向分布,并对优化结果进行仿真计算及对比分析.结果表明,方法能快速、准确地设计和优化出所需性能的螺旋桨.优化后的螺旋桨在辅助设计点前进比1.196 6处,螺旋桨拉力较原来Betz条件提高5.9%,效率由原来Betz条件的73.7%提升到76.5%;主设计点前进比1.262 6处拉力较原来Betz条件提高7.4%,效率由原来Betz条件的75.0%提升到78.3%,效率均较高.     

高超声速黏性干扰相关性参数的修正

为了更精确地将黏性干扰相关性理论应用到实际工程上,基于高超声速平板黏性干扰相关性理论和斜激波理论,针对当前广泛采用的黏性干扰相关性参数(∨)∞进行了修正,建立了气动力关联性更好的参数(∨)∞.采用计算流体力学(CFD)数值方法模拟了航天飞机轨道器外形OV-102在典型状态下的黏性干扰效应,考察了修正后黏性干扰相关性参数(∨)∞对于气动力数据的关联特性.验证结果表明:修正后的黏性干扰相关性参数(∨)∞对于黏性诱导的各气动力数据均有良好的关联特性,并且相比未修正的黏性干扰相关性参数(∨)∞更加有效.     

高空飞艇螺旋桨优化设计与气动性能车载试验

结合某高空飞艇螺旋桨的总体设计方案要求,完成螺旋桨的优化设计以及气动性能车载试验.采用叶素动量理论作为螺旋桨气动性能的计算方法,并通过风洞试验验证了该方法的可靠性.结合遗传算法对螺旋桨的弦长和扭转角进行了优化,使螺旋桨更加高效轻质,优化后螺旋桨设计点的气动效率增加了2.3%.建立螺旋桨车载试验测控系统,可以改变试验海拔高度和大气参数,得到优化设计螺旋桨不同工况的气动性能.试验结果表明,相同转速和来流条件下,海拔越高,螺旋桨的推力和扭矩越小.海拔为3-6km时,全尺寸高空飞艇螺旋桨计算推力和扭矩与试验结果的平均相对误差分别为2.8%和9.2%,两者基本吻合,从而验证了高空飞艇螺旋桨车载试验的准确性.      

临近空间螺旋桨气动性能数值分析

在实验条件不成熟和计算性能不够好的情况下,提出了一种研究螺旋桨气动性能的方法.首先对叶素周围的流场进行数值模拟,分析叶素的气动性能并得出叶素升阻系数,然后差值得到叶素升阻系数沿桨径的连续分布,再利用叶素理论对螺旋桨的整体气动性能进行分析.研究表明,所提出的研究方法不仅可以对叶素周围流场进行详细的分析,还能够较好地分析螺...     

某型无人机螺旋桨的设计与气动性能分析

为了提高某型无人机(UAV)的航时,螺旋桨应该具有高的巡航效率、足够的爬升拉力。利用高效率螺旋桨设计方法设计了某型无人机的两叶木质螺旋桨,获得了螺旋桨的弦长和桨叶角分布,基于片条理论计算了螺旋桨的气动性能,进行了螺旋桨的地面静态试验。结果表明:螺旋桨性能计算结果与台架试验结果具有较好的一致性,螺旋桨性能计算的巡航效率为83.81%,巡航拉力为222.95 N。设计的两叶木质螺旋桨可以满足某型无人机的巡航效率与拉力需求。     

太阳能无人机高效螺旋桨气动设计

太阳能无人机“超高空、超长航时”的设计方向给螺旋桨的气动设计带来了极大挑战。本文根据某太阳能无人机总体方案,使用多点多目标优化方法改进设计了桨叶翼型,合理布置叶宽分布与桨距,设计出低雷诺数工作环境下的高效螺旋桨,并且在全包线范围内保持较高的气动效率。利用叶素理论对该设计方案进行了性能评估,结果显示在巡航状态下,该螺旋桨的工作效率达到85%以上,各项指标满足设计要求。     

一种基于螺旋桨部件特性的螺旋桨建模方法

通过缩比法,利用螺旋桨通用部件特性获得期望研究的螺旋桨部件特性,提出了飞行速度不为零条件下的螺旋桨数学模型建模算法,同时,借鉴缩比后螺旋桨部件特性、螺旋桨定桨叶角工作性能曲线以及螺旋桨空气动力学原理,分析了静拉力状态下的螺旋桨功率系数、拉力系数、桨叶角、螺旋桨静态推力进距比阈值以及螺旋桨几何设计参数的相互作用关系,提出了静拉力状态下的螺旋桨数学模型建模算法。所述算法与Gas Turbine Simulation Program (GSP)软件仿真数据进行了数字仿真对比验证。结果表明:所提出的螺旋桨建模算法具有有效性,在前进状态下,螺旋桨拉力相对误差最大不超过6.6059×10-6，需求功率相对误差最大不超过5.5098×10-6，效率相对误差最大不超过6.6955×10-6。      

Aerodynamic design of tractor propeller for high-performance distributed electric propulsion aircraft

Aiming to maximize the aerodynamic performance of the Distributed Electric Propulsion (DEP) aircraft, a hybrid design framework which focuses on the aerodynamic performance of the propeller/wing integration has been developed and validated numerically. Variable-fidelity modelling for propeller aerodynamics has been used to achieve computational efficiency with reasonable accuracy. By optimizing the aerodynamic loading distributions on the tractor propeller disk, the induced slipstream is redistributed into a form that is beneficial for the wing downstream, based on which the propeller blade geometry is generated through a rapid inversed design procedure. As compared with the Minimum Induced Loss (MIL) propeller at a specified thrust level, significant improvements of both the lift-to-drag ratio of the wing and the propeller/wing integrated aerodynamic efficiency is achieved, which shows great promise to deliver aerodynamic benefits for the wing within the propeller slipstream without any additional devices.     

关键设计参数对摆线桨气动性能影响

以西北工业大学自行研制的摆线桨飞行器为研究对象,对简化的二维摆线桨模型进行了非定常数值模拟.在数值模拟模块中,桨叶的公转及俯仰振荡运动采用弹簧近似光滑模型和局部重划模型相结合的动网格技术来处理.重点研究了关键设计参数对摆线桨气动性能的影响,结果表明:随着桨叶数的增加,悬停气动效率提高;随着翼型厚度增加,推力变大,气动功耗减小;桨叶俯仰轴位置位于桨叶弦向中部位置时的功率载荷最大,悬停气动效率最高;随着最大俯仰角增大,气动功耗逐渐增加,悬停气动效率降低;当桨叶上、下半周最大俯仰角之和一定时,采用上半周最大俯仰角小的设置时,推力和气动功耗较大,悬停气动效率也更高.      

螺旋桨的数值优化设计

本文提供一种螺旋桨气动设计的数值优化方法。作为优化基础的气动性能计算部分,采用了 Goldstein理论为基础的片条理论,计算结果与实验数据比较表明,性能计算方法是可用的。数值优化采用的是混合罚函数法。利用本数值优化方法对两个已有的螺旋桨重新进行了优化设计。结果表明,在最高效率点附近,效率随桨叶几何参数的变化比较缓慢;同时取弦长和扭角作为设计变量可以设计出比单独取扭角为设计变量时弦长更短的螺旋桨,从而可减小桨叶重量和提高螺旋桨的巡航效率。      

高鲁棒性的螺旋桨片条理论非线性修正方法

针对螺旋桨极端状态分析计算的问题,对片条理论（BEMT）方法进行了一定的改进。虽然片条理论在常规工况下能够比较准确地计算拉力和功率,但在考虑严重非线性的部分工况下,如很低或很高前进比状态,传统片条理论存在一定的局限性,无法可靠地计算拉力、功率、环量分布及诱导速度。鉴于此,分析了传统片条理论方程解的不唯一性和诱导速度的奇异性,然后结合涡流理论提出了一种环量迭代修正方法,解决了传统片条理论在极端工况下的计算困难。另一方面,为了兼顾多种叶素非线性效应,应用人工神经网络对叶素的大迎角特性、低雷诺数特性及跨声速特性进行特征提取,并为片条理论提供高效的叶素非线性气动特性预测。通过与计算及试验结果对比,验证了修正片条理论方法针对本文计算模型能够在很低/很高前进比下进行准确计算。在本文算例中,拉力和功率的相对误差在常规工作段可以保持在5%以内,在很低和很高前进比下仍可以保持在10%以内。