面向电动飞机应用的不同叶尖螺旋桨噪声特性

为了合理地设计与选取电动飞机螺旋桨,最大限度降低电动飞机整体噪声,以某型电动飞机平直、后掠及尖型桨尖形状螺旋桨为研究对象,通过大涡模拟模型计算分析了3种螺旋桨在巡航和爬升两个典型状态下的一阶频率声压值,计算结果表明平直桨尖螺旋桨噪声最低,尖形桨尖螺旋桨最高。为了验证计算结果,制造了缩比模型并在空气动力研究院的FL-9风洞中进行了试验,结果表明计算结果与风洞试验结果吻合度较高,验证了大涡模拟在螺旋桨噪声计算中具有一定的工程应用价值,计算和试验结果都表明平直桨尖有助于进一步发挥电动飞机安静环保的优势。     

某电动飞机螺旋桨气动特性数值模拟与风洞试验

以某型电动飞机螺旋桨为研究对象,基于RANS方程和SST湍流模型的MRF方法对螺旋桨进行高精度滑流准定常数值模拟和性能计算。为了验证计算和设计的合理性,对该型螺旋桨进行了缩比模型风洞试验。试验结果表明,数值模拟计算结果与风洞试验数据吻合较好,证明该方法可为螺旋桨设计提供指导。     

一种电动飞机电推进系统的能效优化方法

电动飞机依靠电推进系统为飞机提供所需的动力,而电动飞机蓄电池的能量密度制约了飞机续航能力的提升。在蓄电池能量密度受限的条件下,进行电推进系统能效优化,提高电推进系统效率,降低电推进系统损耗,对增加飞机的续航时间具有重要意义。以某双座可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统为例,依据飞机的飞行任务剖面搭建了飞机电推进系统在起飞及巡航阶段的系统损耗模型,以可调定桨距螺旋桨桨矩角为优化变量,以飞机完成一次飞行任务剖面能耗最小为目标,提出一种适于可调定桨距螺旋桨电动飞机电推进系统的能效优化方法。为了验证该方法的有效性,搭建样机测试平台,进行了样机试验,试验结果表明：该能效优化方法能够有效提高飞机电推进系统效率,使飞机完成一次飞行任务剖面的系统能耗降低了8%以上。     

晶向对DD3单晶叶片固有频率的影响

分析了晶向对某DD3单晶涡轮叶片固有频率的影响规律。用有限元法分析了该叶片的前 6阶静频和 4 5 0 0 0r/min工作转速下该叶片的前 6阶动频在上述晶向范围内的变化规律。通过分析发现 ,第二欧拉角对该叶片的低阶固有频率影响较大 ;而第一、三欧拉角对该叶片的高阶固有频率影响较大 ;当第二欧拉角为 0°时 ,叶片固有频率随第一或第三欧拉角增大而周期性变化 ,每 90°为一个周期 ;在高温工作状态 ,因存在由弹性模量下降引起的结构软化和由离心力作用引起的结构刚度加强 ,使叶片的动频在量值上与静频相当 ,且晶向的影响减弱。     

某型两叶螺旋桨的设计及风洞试验

为了提高电动飞机的航时,研究了高效率螺旋桨设计及风洞试验技术,介绍了高效率螺旋桨设计方法。采用高效率螺旋桨设计方法设计了某型双座电动飞机的两叶螺旋桨,获得了螺旋桨弦长和桨叶角沿径向的分布,制造了两叶的木质螺旋桨。通过螺旋桨风洞试验获得了拉力、功率、效率等性能参数。试验结果表明:巡航状态(V=30 m/s,n=1 900 r/min)时,螺旋桨效率为78%;爬升状态(V=30 m/s,n=2 200 r/min)时,螺旋桨效率为76%。     

模型自由飞试验中的螺旋桨动力模拟方法研究

开展螺旋桨飞机模型自由飞失速试验需要准确地模拟螺旋桨动力状态。通过对模型自由飞失速试验 动力相似准则和螺旋桨动力模拟相似准则的分析,推导出螺旋桨飞机模型自由飞失速试验中所需要遵循的相 似准则关系;以此开展某四发螺旋桨飞机模型自由飞试验,通过控制螺旋桨转速、设计桨叶角,满足拉力系数和 前进比相等,模拟全尺寸飞机螺旋桨动力特性,获得的失速特性与飞机风洞实验结果一致。结果表明:该方法 能够准确模拟飞机失速过程的螺旋桨动力状态,可为飞机失速试飞提供重要的数据支撑,并为国内后续螺旋桨 类飞机模型自由飞试验失速试飞研究提供理论和试验方法。     

螺旋桨式微型飞行器飞行特性分析

以南航研制成功的某型号微型飞行器为背景,以该型机的风洞实验数据为基础,针对该机的独特气动布局形式,对该机进行了六自由度飞行力学模型的建立。在建模过程中,考虑了螺旋桨滑流对飞机的气动干扰及不同飞行状态下螺旋桨拉力及扭矩的变化。通过应用四阶龙格-库塔方法对该运动方程进行数值求解,对该型微型飞行器的飞行动力学问题进行了非线性分析。     

螺旋桨飞机升力失速特性研究北大核心CSCD

飞机的最大升力系数 CLmax 直接影响翼载的选取,进而影响飞机的重量和经济性。螺旋桨飞机在带动力条件下 CLmax 随滑流强度增加而提高,但按照常规理论采用无动力 CLmax 数据选取的翼载偏小偏保守,没有充分发掘飞机的性能潜力。结合适航规定以及某四发螺旋桨飞机飞行实际情况,提出了一种基于发动机慢车状态确定 CLmax的概念,并将飞机带动力 CLmax 分解为无动力 CLmax 、螺旋桨拉力、螺旋桨法向力、滑流增升效应等4部分贡献,通过无动力和多天平带动力风洞实验完成了上述分量的模拟、测量和修正。计算表明某四发螺旋桨飞机在发动机慢车失速试飞条件下的滑流强度约为0．1,螺旋桨系统的动力增升作用使不同襟翼构型的 CLmax 增加8％～9％。该方法获得的 CLmax 与飞机试飞结果较为吻合,充分挖掘了飞机的低速性能潜力,并为同类螺旋桨飞机设计提供了一定的参考。     

螺旋桨飞机升力失速特性研究

飞机的最大升力系数CLmax直接影响翼载的选取,进而影响飞机的重量和经济性。螺旋桨飞机在带动力条件下CLmax随滑流强度增加而提高,但按照常规理论采用无动力CLmax数据选取的翼载偏小偏保守,没有充分发掘飞机的性能潜力。结合适航规定以及某四发螺旋桨飞机飞行实际情况,提出了一种基于发动机慢车状态确定CLmax的概念,并将飞机带动力CLmax分解为无动力CLmax、螺旋桨拉力、螺旋桨法向力、滑流增升效应等4部分贡献,通过无动力和多天平带动力风洞实验完成了上述分量的模拟、测量和修正。计算表明某四发螺旋桨飞机在发动机慢车失速试飞条件下的滑流强度约为0.1,螺旋桨系统的动力增升作用使不同襟翼构型的CLmax增加8%~9%。该方法获得的CLmax与飞机试飞结果较为吻合,充分挖掘了飞机的低速性能潜力,并为同类螺旋桨飞机设计提供了一定的参考。     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

外部轴向激励作用下螺旋桨桨叶动应变频域变化特性试验研究

为了研究外部轴向激励作用对螺旋桨桨叶动应变频域特性的影响,采用应变片和特制的水下数据采集仪对七叶大侧斜螺旋桨桨叶动应变的频域变化特性进行了试验测量研究。试验结果显示,在非均匀来流条件下,螺旋桨桨叶动应变的频域特性能明显反映出非均匀流场的主角频特征与螺旋桨轴频的耦合振动特性。在螺旋桨桨叶的三个不同径向位置处,桨叶的动应变频域变化特性均能够反映出螺旋桨的轴频及其谐频特征。其中,0.6倍螺旋桨半径位置处的动应变特性最为明显,0.8倍螺旋桨半径位置处次之,0.4倍螺旋桨半径位置处的变化最小;当激励频率fe=42Hz和fe=60Hz的两个外部轴向激励分别作用于螺旋桨-轴系时,螺旋桨桨叶动应变频域均会对其产生一个频率响应,其响应频率与激励频率始终保持一致。     

电动固旋翼无人机动力系统建模与优化设计

为解决电动固定翼四旋翼复合布局无人机(eHAV)动力系统设计选择缺乏相应理论方法的问题,提出了一套动力系统的建模和优化设计方法。通过推质比计算提出了动力系统需求,利用螺旋桨和旋翼理论建立了螺旋桨的设计和性能计算模型,通过统计分析和1阶电动机模型建立了无刷直流电动机的计算模型,通过电动机与电池电压、电流之间的关系建立了电池选择方法,在经过电压修正的放电特性经验公式基础上建立了无人机航时计算方法。根据动力系统匹配方法,建立了动力系统优化设计流程。对某电动固旋翼无人机动力系统进行了优化设计和选择,结果表明:所建螺旋桨和旋翼模型计算结果与CFD结果的误差在10%以内,电池放电模型与试验数据的拟合度在0.97以上,飞行测试结果表明所提方法选择的动力系统使得无人机航时测试值与设计值误差小于4%,证明了该方法有较高的准确性和可行性。      

小型巡飞弹电动推进系统设计及试验验证

为快速获得满足工程需要的小型巡飞弹电动推进系统,采用螺旋桨涡流理论和一阶电动机模型建立了电动推进系统效率计算模型。以巡飞弹巡航阶段电动推进系统效率最高为目标,将爬升阶段巡飞弹所需推力及对应的反扭矩作为约束对桨机参数进行了快速优化设计,得到了电动机与螺旋桨的设计指标。根据该设计指标开展了电动机测功试验,完成了电动机选型;利用Kriging代理模型对螺旋桨进行了详细优化设计,并计算了完整的气动参数。针对设计得到的巡飞弹电动推进系统开展了风洞吹风试验,结果显示螺旋桨理论计算与试验测试误差在85%以内,巡航阶段电动推进系统效率设计结果与测试结果误差在27%以内,表明所提出的电动推进系统设计方法合理有效,能够为此类巡飞弹设计提供一定程度理论指导。      

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。     

涡桨飞机有/无动力降落构型的气动噪声预测

以某双发涡桨飞机为对象，采用精细化笛卡尔网格与混合RANS/LES数值模拟，结合FW-H方程的声类比方法，对某涡桨飞机的有动力降落构型和无动力降落构型（均为1/6缩比模型）开展气动噪声预测与对比研究。通过对比分析近场流动结构、机身表面压力分布与压力脉动探测数据、Lamb矢量的散度分布和远场观测点噪声数据，发现对于无动力降落构型，翼尖、襟翼侧缘、襟翼连接件、襟翼与机身连接处等位置的表面压力脉动显著强于其他区域；对于有动力降落构型，除上述区域外，在螺旋桨滑流的干扰下，发动机舱、机翼前缘和襟翼表面压力脉动明显增大。远场噪声观测数据表明，采用的噪声预测方法不仅能够准确捕捉螺旋桨旋转噪声主频，还能够清晰观测到2倍、3倍及4倍谐频。最终结果显示，有动力降落构型的螺旋桨旋转噪声幅值最大，是最主要的噪声源。有动力降落构型相比于无动力降落构型的总声压级要高20 dB左右。因此，建议针对该涡桨飞机降落构型，其降噪设计重点应放在螺旋桨降噪优化设计方面。     

非均匀来流条件下螺旋桨诱导的脉动压力变化特性试验研究

为了研究螺旋桨诱导的脉动压力随进速系数的变化特性,采用压力传感器和LMSTest.Lab采集系统,对非均匀来流条件下七叶大侧斜螺旋桨和三叶常规螺旋桨诱导的脉动压力进行了试验研究。结果表明,七叶大侧斜螺旋桨脉动压力的前四阶叶频谐调分量及三叶常规螺旋桨脉动压力的前两阶叶频谐调分量均随进速系数的增大先减小后增大,两螺旋桨叶频谐调分量最小值所对应的进速系数分别为1.1和0.85左右,而三叶常规螺旋桨诱导的脉动压力的三阶和四阶叶频谐调分量随进速系数的增大整体呈现出逐渐增大的变化趋势;通过数学回归分析方法研究,七叶大侧斜螺旋桨和三叶常规螺旋桨诱导的脉动压力一阶叶频谐调分量与进速系数均呈二次函数变化关系。     

突风气象条件下电动飞机电推进系统 PI控制参数的设定方法

电动飞机电推进系统采用高效永磁同步电机作为主驱动,配备矢量控制器。飞机在巡航过程中不可避免地会遭遇突风,影响飞机的稳定飞行。通过建立电动飞机在巡航阶段遭遇突风时的空气动力学模型和电推进系统的动态响应数学模型,并对模型进行求解,给出了突风气象条件下电推进系统速度PI控制参数的设定方法。以某双座电动飞机的电推进系统为研究对象,采用MATLAB仿真和样机地面试验对速度PI控制进行了仿真分析和试验测试,对比了未考虑和考虑突风气象条件下的速度PI控制器的动态特性。仿真和样机试验结果表明:当飞机遭遇突风时,采用考虑突风气象条件的速度PI控制参数可以有效地降低螺旋桨的转速波动范围。     

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

电动飞机分布式螺旋桨对气动性能影响的建模研究

作为电动飞机的一项关键技术，分布式螺旋桨推进已成为绿色航空未来发展的重要研究方向。本文以结合多参考系（MRF）的RANS方法作为气动性能分析手段，采用Kriging代理模型对分布式螺旋桨的安装位置对全机气动性能的影响进行了建模研究，并对基准构型和优选构型的流动进行了对比分析。结果表明，螺旋桨往前方移动后全机的升阻比增大；相对于原始构型，优选构型的上表面低压区面积明显增大，吸力峰明显增强，下表面的压强增大，低压区域减少，分布式电推进系统的效率得到有效提升。本文的研究能够支撑以分布式螺旋桨为动力的电动飞机的总体设计，为螺旋桨的安装提供有效参考，从而进一步提升电动飞机的经济性。     

CFD在螺旋桨飞机滑流影响研究中的应用

通过求解绝对坐标系下的非定常雷诺平均Navier-Stokes方程，计算了非定常滑流对某飞机巡航构型低速状态的气动特性影响。为描述螺旋桨桨叶的相对运动，采用了动态重叠网格技术，并在并行环境下采用全隐式双时间步方法和多重网格技术来保证时间精度和提高计算效率。将计算结果与试验结果相比较，在线性段，计算得到的升力系数与试验值总体偏差不超过2%，阻力系数相对试验值而言整体偏大，基本控制在8%左右，俯仰力矩系数的计算结果与试验值趋势一致。总结了滑流对螺旋桨飞机宏观气动特性的影响规律，由于滑流在空间发展过程中不断与周围空气相混合，使得滑流边界逐渐"模糊"，因此滑流流管在空间发展过程中的巨大畸变对滑流影响的分析工作带来了难度。针对这种现象，本文将有/无滑流的流场进行对比，通过当地动压增量来定义滑流的加速效应边界，以及通过当地气流角增量来定义滑流的洗流效应边界。该方法能较好地捕捉和解释由于滑流对飞机部件干扰而使得飞机方向安定性呈现的非线性现象，初步揭示了螺旋桨滑流复杂尾迹流动的特点，在螺旋桨飞机非定常滑流影响机理研究方面具有一定的参考价值。