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。     

七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨尾流场及梢涡特性,本文基于DDES（延迟分离涡方法）建立了螺旋桨空化流场数值预报模型。为验证所建立数值模型的准确性,进行了多套不同尺度网格的不确定性分析,同时将非定常流动中螺旋桨（VP1304）螺旋桨空泡及梢涡特性计算结果与试验结果进行了对比。随后基于该模型对七叶大侧斜螺旋桨的尾流场及梢涡特性进行了数值分析。计算结果表明：结本文所建立数值模型精度较高,可以准确地捕捉到梢涡空泡及梢涡尾流场特性;同时DDES方法相比RANS方法在对复杂湍流流动的捕捉能力更强,更适用于螺旋桨梢涡捕捉;尾流场网格加密对尾流场模拟及准确捕捉梢涡十分重要,但对螺旋桨水动力性能影响不大;尾流区域的轴向速度场可以分为加速流动区和自由流动区,进速系数越小,自由流动区与加速流动区之间的界限向外扩张越明显;E1619桨在重载工况有明显的梢涡空泡产生,而轻载工况空泡面积较小且无梢涡空泡发生;梢涡在向下游发展过程中会发生相互融合,进速系数越大,融合发生的越晚,梢涡强度也越小;七叶大侧斜螺旋桨在尾流区域会产生一个分支涡,分支涡起始于吸力弯曲面下缘,且与梢涡呈一定的夹角,进速系数越大,夹角越小。     

耦合升沉运动的七叶侧斜螺旋桨空泡性能研究

为建立有效的预报耦合升沉运动的螺旋桨空泡性能的方法,并基于该方法分析升沉运动对螺旋桨空泡性能的影响,基于RANS方法对耦合升沉运动的七叶侧斜螺旋桨的空泡性能进行了数值模拟,螺旋桨的升沉和旋转运动耦合采用自定义运动方程实现,其中升沉运动简化为简单正弦函数。非定常流场中网格和物理信息的传递采用重叠网格技术实现。将非定常流动中螺旋桨(DTMB 4381)的空泡计算结果与试验结果及现象进行了对比,验证了数值计算模型的准确性。计算中对不同升沉运动周期下的螺旋桨非定常推力及扭矩系数进行了分析,同时对螺旋桨的空泡性能进行了实时监测。计算结果显示,升沉运动使螺旋桨的推力和扭矩系数的非定常特性更加明显,同时导致螺旋桨各叶片上的空泡分布不均匀;升沉运动周期越小,上述现象越明显。同时较小升沉运动周期时,推进系数和空泡面积均为周期性变化,其变化周期均为升沉运动的1/2,螺旋桨空泡面积最小值较无升沉运动时增大约17%,空泡面积最大值则增大约57%。     

复合材料螺旋桨的加厚及预变形设计

为有效利用复合材料螺旋桨的轻质和弹性特点,对螺旋桨做了加厚处理,在保证水动力性能的前提下,加宽空泡斗以增强螺旋桨对不均匀流场的适应性,在结构上还会增加复合材料桨叶的强度。采用稳态流固耦合算法,对优选出的加厚桨进行了45°和-30°两种复合材料铺层角度下的流固耦合计算,采用预变形设计方法,计算了不同工况下的敞水性能、型值参数和变形。设计工况下,在复合材料螺旋桨变形的反方向施加预变形量,受力后可变形至原桨的形状,水动力性能也与原桨相当,而在非设计工况下,实现了复合材料螺旋桨的水动力性能改善。     

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。     

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。     

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。     

偏角对螺旋桨气动性能影响的数值分析

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,数值模拟了螺旋桨侧飞状态时的运动过程,仿真研究了侧偏角对螺旋桨气动性能的影响。主要结论有:由于螺旋桨轴向速度随着偏角的增大逐渐减小,所以螺旋桨轴向拉力随着偏角的增大逐渐增大,螺旋桨的侧向阻力随着偏角的增大逐渐减小。桨叶上的分离区域随着偏角的增大逐渐增大,当偏角为0°、30°、60°时,桨叶上分离涡的尺度随着桨径的增大逐渐增大,当偏角为90°时,分离涡的尺度随着桨径的增大逐渐减小。     

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。     

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。     

端板对叶梢负载桨空化性能影响数值分析

为了探究端板对尾流收缩叶梢负载（CLT）桨空化性能的影响,本文基于Star-ccm+软件对CLT(Contracted and Loaded Tip)桨P1727的端板变参数模型进行了空化计算,计算采用DDES湍流模型和Schnerr-Sauer 空化模型,通过对E779A标准模型桨进行计算,验证了该方法的有效性。研究表明：桨叶表面空化区域与低压区域基本一致,空化区域的范围与推力损失程度呈正相关变化趋势;在端板有效抑制梢部绕流的情况下,端板长度和宽度对CLT桨的敞水性能和空化特性影响微弱;端板倾角对敞水性能和空化特性影响较大,倾角越大,推力和扭矩越大,空化发生时推力衰减程度越大。     

基于滑移网格的临近空间螺旋桨流场数值仿真

基于滑移网格模型,考虑RNG k-ε湍流模型,通过求解三维非定常N-S方程,仿真研究了螺旋桨非定常旋转流场,比较研究了20km临近空间环境下不同前进速度、不同转速下螺旋桨气动性能的异同.结果显示,拉力随转速的增大而增大,效率随转速的增大先增大后减小;桨叶周围的速度及速度场的分布范围,涡流强度的大小及涡流强度的分布范围都随转速的增大而增大;桨叶旋转运动产生的诱导速度对螺旋桨前面流场的影响范围较小,对螺旋桨后面流场的影响范围较大.     

桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响

采用基于非结构网格的滑移网格技术,对悬停状态下涵道螺旋桨流场进行了非定常Euler方程数值模拟,分别考查了桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响.桨尖间隙比的变化范围取为0~1.37%,双桨间距变化范围取为0.25~0.65倍的桨叶半径.研究发现:随着桨尖间隙增大,涵道螺旋桨拉力降低,功率载荷减小;桨尖间隙比存在一个临界值,约为1.10%,在该值附近,桨尖泄漏涡显著增强,引起涵道和螺旋桨的拉力分配关系剧烈变化,涵道拉力占总拉力的比值下降10.27%,系统气动性能迅速恶化;大间隙下桨尖泄漏流表现出较强的非定常现象.增大双桨间距可以提高共轴双桨涵道的气动效率,但是因为涵道对螺旋桨滑流的改善作用,这种影响并不显著,气动力的相对变化量在3%以内.     

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.      

Aeroacoustic and aerodynamic optimization of propeller blades

It is of great significance to develop a high-efficiency and low-noise propeller optimization method for new-generation propeller aircraft design. Coupled with free form deformation method, dynamic mesh interpolation technology, optimization algorithm, surrogate model, aerodynamic calculation and aeroacoustic prediction model module, the integrated aerodynamic and aeroacoustic design method of propeller is built. The optimization design for the six-blade propeller is carried out. The non-reduction in efficiency, thrust coefficient and the minimum of aerodynamic noise is treated as the optimization design objective. The spatial vorticity distribution of the propeller before and after the design is also analyzed by using unsteady computational fluid dynamics method. The results show that the optimized propeller can effectively reduce the aerodynamic noise level. The maximum total sound pressure level can be reduced by 5 dB without reducing its aerodynamic performance. The developed method has good application potential in low-noise optimization design of propeller and other rotating machinery.     

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。