一种无人机螺旋桨安装特性预测方法

针对用风洞试验选配无人机推进式螺旋桨费用较高的问题,提出用一根螺旋桨的装机风洞试验数据来推算几何参数相同而桨叶安装角不同的一组螺旋桨的装机特性的方法。方法由风洞试验数据计算出螺旋桨桨叶的当量拉力和扭矩系数,通过调整桨叶攻角推算安装角不同的螺旋桨的推力和扭矩特性。计算结果与试验结果的对比表明方法在桨叶安装角变化较小时是准确的。     

螺旋桨1P力矩飞行试验研究

以桨叶1P载荷桨叶应变测量法为基础,研究了螺旋桨1P力矩,阐述了螺旋桨1P力矩计算方法步骤,给出了某型飞机的飞行试验测试结果,针对试验结果分析了螺旋桨1P力矩的影响因素、变化规律以及与飞机飞行状态的关系。     

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。     

螺旋桨拉力计算验证及参数敏感性分析

本文介绍了桨叶角法理论基础并给出了计算表达式,同时考虑了诱导速度和不同前进比的影响,在此基础上给出了螺旋桨拉力的计算步骤。以某型螺旋桨缩比模型风洞试验结果为基础,对桨叶角法进行了验证。同时针对螺旋桨拉力确定试飞所测量的关键参数进行敏感性分析与评估。计算及分析结果表明,桨叶角法能够准确地预测出不同工况下的螺旋桨拉力系数,满足工程应用要求,为后续某型螺旋桨拉力确定试飞提供了理论基础。     

基于滑动网格的螺旋桨复杂绕流数值模拟研究

利用SST湍流模型,求解雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟螺旋桨粘性绕流。为了实现桨叶的相对运动,采用了滑动网格技术,即将计算区域分为静止区域和随桨叶一起运动的旋转区域。以课题组设计的1.2 m螺旋桨为例,分别对不同风速下的桨叶粘性流动进行了非定常数值模拟,计算得到的螺旋桨气动特性与实验值吻合良好,证明了方法的正确性。     

基于CFD 的螺旋桨拉力确定方法

针对螺旋桨拉力确定问题，以某型螺旋桨飞机为研究对象建立3 维实体模型，采用CFD 方法进行数值计算。利用分区拼 接网格对螺旋桨及飞机短舱复杂组合体进行分块处理；在此基础上基于滑移网格方法，采用雷诺平均NS（RANS）湍流模型，针对不 同高度、来流速度及桨叶角进行仿真计算。根据计算结果分析螺旋桨飞机流场特性，并以螺旋桨拉力为重点，总结了螺旋桨工作特 性随飞行Ma 和飞行高度的变化规律。结果表明：螺旋桨拉力随飞行Ma 的增大而减小，随着桨叶角的增大而增大，可为后续涡轮螺 旋桨发动机总净推力的确定方法提供技术支撑。     

七叶侧斜螺旋桨设计参数对空泡性能的影响研究

为建立有效的预报螺旋桨空泡性能的方法,并基于该方法参数化分析七叶侧斜螺旋桨设计参数对空泡性能的影响,基于CFD方法建立了螺旋桨全湿流和空泡流非定常数值计算模型。通过对DTMB4381标准螺旋桨全湿流及空泡数值模拟结果与试验值的对比,验证了计算模型的准确性。通过对网格的收敛性分析,验证了收敛性并保证了计算精度。采用B样条曲线拟合方法拟合某七叶侧斜螺旋桨设计参数,通过改变控制点的值改变设计参数的分布型式。在此基础上重点分析了该七叶侧斜螺旋桨桨叶侧斜、弦长以及纵倾分布型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减小空泡面积,使空泡的随边边界向桨叶中心偏移,增大侧斜后螺旋桨平均推力较原型桨增大9.0%;增加盘面比会使空泡面积增大,但会降低螺旋桨单位面积的平均负载,增加盘面比后螺旋桨平均推力较原型桨增大11.8%;同时桨叶向压力面弯曲或向吸力面弯曲的计算都表明,一定程度的纵倾有利于改善螺旋桨的空泡性能。     

旋转桨叶表面压力反演试验

为了验证旋转桨叶表面压力的反演计算方法，搭建了旋转桨叶表面压力反演试验平台，对一套二叶螺旋桨的表面压力开展了反演试验。通过传声器阵列测量螺旋桨的远场噪声，利用Kulite压力传感器和离线式采集器测量桨叶表面的静压，并与计算结果进行对比。结果表明：在所研究的工况范围内，计算结果与试验结果吻合较好，趋势基本一致；其中两个测点的试验结果与计算结果误差在1%以内，精度很高；另两个测点的对比差值较大，主要是压力传感器安装工艺误差所导致的。     

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。      

斜流中七叶侧斜螺旋桨水动力及空泡性能研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨斜流中的水动力及空化流场特性,基于DDES（延迟分离涡方法）建立了斜流中螺旋桨空化流场数值预报模型。在空化数 =2.024时对三套网格进行了不确定度分析,将斜流中螺旋桨（VP1304）水动力及空泡计算结果与试验结果进行了对比,验证了本文所建立数值模型具有较好的精度,然后对七叶大侧斜螺旋桨斜流中的水动力及空泡特性进行了计算。计算结果表明：斜流中螺旋桨推力和扭矩相对轴向流中均有明显下降,且随着进速系数的增大,下降幅度也逐渐增大,J=1.0时推力下降了82.1%,扭矩下降了47.6%;斜流中螺旋桨桨叶载荷呈周期性变化,随着进速系数的增大桨叶载荷极值变化率逐渐增大,J=1.0时,推力载荷极值变化率为163%,扭矩载荷极值变化率为100%;斜流中螺旋桨桨叶表面空泡形态十分不规则,螺旋桨旋转过程中伴随着严重的空泡融合、溃灭、脱落等现象,是桨叶表面载荷呈现脉动特性的重要原因,同时对螺旋桨的隐身性能十分不利。     

高空长航时无人机螺旋桨滑流效应影响研究

推导和分析了以多参考系模型作为螺旋桨计算模型的控制方程。应用数值模拟方法开展高空长航时无人机滑流效应影响的三维数值模拟研究。研究发现,多参考系模型的流动现象能够符合真实螺旋桨的前后流动特征,并且可以较好地模拟螺旋桨滑流对飞机气动性能的干扰。螺旋桨滑流效应使V尾表面流线发生偏转和收缩加速,V尾表面的压力分布明显改变。起飞状态螺旋桨滑流效应对全机气动特性影响最强,爬升状态影响减弱,巡航状态影响最小。滑流效应影响随着推力增加而增大,相同推力不同桨距条件下滑流效应影响基本相同。起飞状态无人机尾部受到螺旋桨大推力滑流效应影响压差阻力急剧增加,导致全机气动性能下降。     

一种快速计算螺旋桨气动声学特性的数值方法

在低速螺旋桨性能计算方面,涡格法是快速有效的方法。但是在计算表面压力分布时,传统的涡格法遇到了无法克服的困难。本文推导出在叶片表面布置分布涡强的方法,既保持了涡格法计算快的优点,又较好地计算出叶片表面压力分布。以此为基础,本文采用FW-H方程忽略四极子效应的时域解法,使用与气动计算相同的表面网格,快速解出了螺旋桨的远场声学特性,计算结果与实验结果符合程度较好。说明该一体化方法可以用于螺旋桨噪声机理分析和低噪声螺旋桨设计,从而为分析螺旋桨噪声机理和设计低噪声螺旋桨提供简便工具。     

螺旋桨性能的自由尾涡分析法计算

采用自由尾涡分析方法, 把螺旋桨的尾涡模型分为近涡区和远涡区两部分, 计算了在不同进距比情况下的螺旋桨性能。在小进距比的重载情况, 螺旋桨尾涡的收缩对螺旋桨的性能影响较大。根据升力线理论采用自由尾涡分析方法考虑尾涡收缩, 改进了小进距比情况下的计算结果, 使得在所有情况下螺旋桨性能的计算结果和实验结果符合很好。      

可压升力面理论桨扇气动设计反问题方法

结合桨扇几何与流动特征讨论了其两大类设计方法的特点，研究了基于可压升力面理论的一种桨扇气动设计反问题方法.相比于传统螺旋桨升力面设计方法，其在旋转坐标系中小扰动线性化假设下严格处理了桨叶旋转、流动压缩性、宽弦大后掠桨叶和桨叶间相互作用，体现了桨扇有轮毂而无机匣的特征.给出了桨扇设计中载荷-下洗角、厚度-下洗角核函数表达式，与机翼核函数的对比验证了其准确性，给出了其在升力面弦向积分和展向积分中的处理方式.讨论了反问题中各设计分布参数的给定方式，特别是最佳载荷分布的给定.构造了一种修正反问题设计中流动损失影响的损失模型.给出了设计算例，数值分析了该设计方法的准确性.研究表明，在跨声速区，反问题给定的弦向载荷分布与数值模拟的存在一定差异，这主要由该设计方法线性化假设与跨声速流动非线性的差别造成.反问题得出的基元功率系数分布、总体性能参数与数值模拟的吻合较好.      

一种计算螺旋桨性能的高效升力线法

本文提供了一种能有效计算螺旋桨性能的方法。方法的特点在于:(1)边界条件中利用了中弧面上的局部斜率以代替平面边界条件,使本方法适用于具有较大弯度翼型的螺旋桨;(2)用近似解析式与数值积分结合起来计算螺旋形尾涡产生的诱导速度,在保证精度的条件下,使计算工作量降低到原有的 10 %;(3)利用翼型的升阻特性考虑翼型阻力及压缩性影响。利用本方法对某型飞机的螺旋桨进行了计算,并与实验数据作了比较,在进距比不太小的情况下,计算结果与实验数据符合很好。      

升力面方法在冲压空气涡轮性能计算中的应用

应用现代螺旋桨升力面元方法计算冲压空气涡轮的气动性能,叶片采用单层涡模型,尾涡采用与Goldstein假设一致的刚性尾涡,将螺旋马蹄尾涡视为开口涡环以便于编程。对一个模型冲压空气涡轮作数值计算,在小负荷和较大负荷工况下风能利用系数均与实验值符合的较好,涡元控制点的诱导速度和环量分布合理。      

螺旋桨性能计算的升力线与升力面方法

基于改进升力线方法，编制了螺桨升力线方法计算程序，并以此为基础，在桨尖外一层虚网格和虚控制点，得升力线理论中导出的附着涡和自由涡的积分公式，发展了一种螺旋动性能计算的升力面方法，该方法具有简洁、方便，实用等特点，用本文发展的升力线和升力面方法对多个螺旋桨算例进行了计算，计算结果与实验结果符合良好。     

推进式螺旋桨飞行中桨叶温度测量与尾气防冰性能评估

为研究某推进式布局螺旋桨表面温度分布特性,评估发动机尾气防冰功能,对螺旋桨进行了飞行中的温度测量试验,在桨叶上布置了Pt100热电阻和K型热电偶,通过无线近距遥测系统实现信号传输,测量螺旋桨在不同高度和发动机状态飞行时的表面温度,结果表明桨叶前缘尾气显著影响区温度随半径增加先升高后降低,桨叶最大厚度处温度则随半径增大呈先降低后升高趋势;飞行高度增加会导致桨叶温度显著下降,在同一高度内增大燃气发生器转速可引起桨叶温度小幅升高。根据相关标准和文献得到桨叶表面临界结冰判据,表明在5km螺旋桨防冰功能有效,在7km部分位置存在结冰风险,在8.5km防冰功能完全失效。     

一种可任意给定环量分布的螺旋桨设计方法

提出了一种螺旋桨快速设计方法，该方法可以根据任意给定的环量分布及工况快速设计出高效率螺旋桨的几何外形（桨叶弦长、扭转角分布）。为对比有叶素阻力与无叶素阻力的最佳环量分布形式，首先对计入和不计叶素阻力下的最佳环量分布表达式进行了推导，分析了各参数对最佳环量分布形状的影响。然后基于片条理论进行了逆向推导，建立了以环量分布为输入的螺旋桨快速设计方法，并分析了螺旋桨理想效率的影响因素，发现理想效率的水平与来流动压、桨盘载荷有关。最后进行了螺旋桨设计实践，对比分析了不同环量分布下螺旋桨性能的差异。结果表明，所提出的设计方法能够根据给定环量分布进行精确设计，相对误差不超过7%，设计性能与参考文献中设计结果的差别不超过2%。      

涡桨飞机螺旋桨气动噪声特性试验研究

随着航空公司短途航线由涡扇发动机转向涡轮螺旋桨发动机,以及机场周边噪声污染的限制越来越严格,商用螺旋桨飞机的声学特征正成为关键的设计参数。为研究螺旋桨的气动性能和声学特性,以某型涡桨飞机六叶螺旋桨为研究对象,在北京航空航天大学沙河校区D5气动声学风洞开展实验研究。实验中对螺旋桨在固定桨叶角设置和旋转速度条件下不同来流风速的组合工况进行测量,以获取不同工况下螺旋桨的天平测力数据和远场声压信号,经过快速傅里叶变换得到来流速度对螺旋桨远场噪声的影响规律。实验结果表明:在较大来流条件下离散部分噪声能激发出更高阶的谐波噪声,各阶谐波噪声幅值随着谐波数增大逐渐降低;当风速较低时宽频噪声声压级增大,这是由于在低前进比条件下,叶片处于失速状态,拉力系数处于非线性段,与叶片表面复杂流场引起的湍流噪声增加有关。通过指向性分析可知,位于桨盘上游位置的总声压级水平大于桨盘下游位置的总声压级水平,主要是因为螺旋桨桨盘前后的相对速度发生了变化,导致了声传播距离的延迟和加速现象。