螺旋桨滑流与机翼之间气动干扰影响研究

基于多参考系方法,利用RANS方程对某型螺旋桨飞机的全机有滑流和无滑流空间流场进行了数值模拟,分析了滑流在机翼干扰作用下的发展趋势,机翼气动特性在滑流作用下的改变,滑流对飞机失速特性的影响。研究结果表明,螺旋桨旋转卷起的涡流经机翼时被切割成上下两部分,形成了绕机翼的横向二次流,机翼的存在改变了滑流的涡量分布和涡的结构。在弦向,滑流影响最严重的部位是机翼前缘,滑流旋转效应改变了机翼绕流的当地迎角,加速效应增加了桨后气流的速度,这是引起机翼气动特性改变的主要原因。虽然滑流的诱导作用使机翼外段提前发生了分离,但是其推迟了机翼根部分离现象的发生,改善了飞机的失速特性。     

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。     

旋翼滑流对倾转旋翼机飞机模式下气动特性的影响

建立了考虑旋翼桨叶形状、桨叶片数、桨距和转速等因素的等效桨盘模型,该模型中桨叶对气流的作用被等效为时间平均的源项添加到控制方程中,并通过两个算例验证了模型的有效性。对V-22倾转旋翼机飞机模式高速巡航状态下的全机三维流场进行了数值模拟,分析了旋翼流场特征,定量给出了滑流对气动力系数的影响量。计算结果表明:旋翼滑流明显改变了机翼表面的压力分布,使全机升力系数增大,最大升力系数增量为4.6%;0°迎角下滑流使阻力系数减小了29%,而4°迎角后,滑流使得阻力系数增大,在14°时增量达到了32%;俯仰力矩系数的变化量为4.6%。进一步研究发现,滑流对平尾下表面压力系数分布产生较大影响,而对垂尾影响则较小。      

基于等效盘模型的滑流对涡桨飞机气动性能的影响

 推导了螺旋桨等效盘模型的相关气动计算公式,建立了考虑螺旋桨桨盘前后压差和滑流旋转速度以及变桨距、螺旋桨转速等因素的较通用的等效盘模型。将等效盘边界条件应用于NAPA软件进行了三维流场计算,分析了流场计算结果和流场特征;并采用某螺旋桨的试验数据对等效盘模型进行了检验,推力和扭矩的计算值与试验结果吻合较好,表明该等效盘模型能较为准确地模拟螺旋桨的推力、扭矩、压力变化和旋转速度变化,能在一定程度上替代真实螺旋桨的气动效应。然后应用该等效盘模型对某四发涡桨飞机的全机三维流场进行了数值模拟研究,分析了螺旋桨滑流对全机流场特征的影响,给出了滑流对全机升、阻力系数的影响量。计算结果表明,螺旋桨后形成的涡能改变下游的流场并使机翼表面流线偏转,螺旋桨滑流能明显改变机翼表面的压力分布,使全机升、阻力系数增大,且滑流强度越大,效果越明显。     

一种分布式电动飞机螺旋桨滑流影响机理

提出了一种分布式电推进螺旋桨飞机，采用二阶精度求解RANS方程的k-ω SST （Shear-Stress-Transport）湍流模型，基于多参考系（MRF）方法，针对低速特性进行数值模拟，得到了分布式螺旋桨滑流效应对全机气动特性的影响规律，重点对螺旋桨后方速度场及机翼表面压力分布进行分析。结果表明有滑流状态增加了全机升力和阻力，升力系数最大增量超过65%，且升力增量随迎角的增加而增大，改善了失速性能，增加了低头力矩；螺旋桨旋转增加了周向速度，改变了径向速度分布，增加轴向速度，高能量螺旋桨滑流改变了机翼当地升阻力特性；螺旋桨桨叶向上旋转一侧气流受上洗影响而局部迎角增加，另一侧局部迎角降低，越靠近桨盘位置，受螺旋桨洗流带来的影响越大；螺旋桨的旋转方向对螺旋桨两侧的机翼表面压力分布有较大影响，尤其是翼尖螺旋桨对全机气动性能影响较大。     

螺旋桨滑流对飞机绕流影响的试验研究

在国产双涡桨支线飞机发展过程中，曾专门研究索螺旋学桨滑流对飞机表面压力分矾的影响。本文以此为基础，从滑流对飞机绕流影响出发，研究了螺旋桨滑流引起飞机气动特性的变化，重点讨论了气动特性变化的机理。     

螺旋桨桨叶试验模态分析

本文用试验模态分析技术研究了螺桨桨叶振动特性。重点考察、分析了桨叶根部连接状态和桨叶安装方式对振动固有频率和模态的影响;提出要准确地了解和分析桨叶的动力特性,应该模拟螺桨与发动机实际连接、安装状态,进行桨叶—桨毂—螺桨轴耦合动力特性的计算和试验。      

螺旋桨非定常滑流的高效数值模拟研究

基于自主研发的大型"亚跨超CFD软件平台"(TRIP3.0),开发了针对螺旋桨飞机的旋转机械非定常求解模块。控制方程采用曲线坐标系下的非定常Euler方程,综合运用动态拼接结构网格技术和双时间步推进方法,重点模拟了双发螺旋桨飞机在螺旋桨转动时的非定常滑流效应。为了保证计算模拟的高效性,引入多重网格技术和大规模并行计算技术。通过模拟某单独螺旋桨验证算例,验证了该方法的可行性。模拟了不同迎角和螺旋桨转速下全机的气动特性,分析了滑流对流场的影响情况,结果表明:螺旋桨滑流对全机流场和气动特性影响明显,并使得升力系数增大。     

共轴式直升机桨毂阻力特性计算研究

共轴式直升机桨毂迎风面积大,表面结构复杂,产生的气动阻力占全机废阻的50%以上。采用求解N-S方程的方法对某型共轴式直升机桨毂的阻力特性进行了计算,分别研究了飞行速度、上下桨毂方位角和计算模型尺寸的变化对桨毂阻力特性的影响。通过分析计算结果发现上下支臂的气动阻力比较大,直升机飞行速度、上下桨毂方位角和计算模型尺寸变化对桨毂阻力的影响比较小。研究结果可为直升机桨毂减阻设计、阻力特性风洞试验和数值计算等提供一定的参考。     

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。     

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。     

Wing optimization of propeller aircraft based on actuator disc method

Propeller aircraft are widely used in general aviation. The rotating propeller has a strong effect on the aerodynamic performance of the wing. This paper uses an actuator disc to model the effect of the propeller. A wing optimization method is developed with the actuator disc method. Several wing optimizations with different slipstream settings are studied. The twist angle and airfoils of the wing are used as the design variables. The results show that the propeller slipstream and slipstream directions have a strong influence on the optimization process. Powered-on optimization with a slipstream can obtain better drag reduction results than unpowered optimization. The drag decomposition results show that most of the drag reduction comes from the form drag reduction. The symmetric “inboard-up” slipstream configuration is found to have the highest lift-to-drag ratios, which are 18.87 for the twist angle optimization and 19.15 for the airfoil optimization.     

基于OpenFOAM的水陆两栖飞机水面高速滑行研究

在开源软件OpenFOAM的两相流动态解算器中添加了激励盘，数值研究了考虑动力影响的大型四发涡桨水陆两栖飞机在水面高速滑行时的典型力学特性。针对水陆两栖飞机的特殊性，全面考虑了飞机高速滑行时的水动力、气动力、地面效应以及螺旋桨的动力影响，较为真实地模拟了飞行器水上起飞的瞬时状态。首先，在interDyMFoam中添加了激励盘模型，以体积力的形式将螺旋桨旋转产生的动量注入流场，用以模拟飞机起飞时大拉力情况下滑流的动力学影响，较螺旋桨非定常模拟方法大幅减少了计算量。其次，对Wigley船体标模和螺旋桨单桨模型分别进行了考核，验证了OpenFOAM的水动力计算能力并确认了新加入的动态激励盘方法的可靠性。最后，利用建立的方法研究了水陆两栖飞机水面单断阶滑行过程中的气动力和水动力特性并给出了滑流和动力的影响规律。     

螺旋桨滑流对短舱/机翼构型尾迹流场的影响

螺旋桨滑流对飞机机翼表面流动和尾迹流场有重要的影响，进而改变机翼和飞机的性能。本文通过风洞试验方法开展了螺旋桨滑流对尾迹流场的影响研究。试验模型为后掠角4°、带增升装置的螺旋桨/短舱/机翼模型，试验构型包括襟翼收回和襟翼打开，试验策略是在两种构型下分别同时模拟真实飞行状态的拉力系数和前进比。通过比较有/无螺旋桨时空间尾迹流场的速度场和流动偏角等，分析滑流在尾迹流场中的发展规律和影响范围，研究尾迹流场中滑流的加速效应、下洗和侧洗效应等。结果表明，在滑流作用下，机翼远后方流场参数在机翼展向和垂直方向上均呈现复杂的变化；同时，襟翼收回和襟翼打开构型的滑流效应有明显的区别，影响规律也有所不同。     

考虑螺旋桨滑流的涡桨运输机失速速度的适航验证

涡桨运输机使用螺旋桨作为能量输出，滑流是螺旋桨飞机的重要特征，在适航验证时需考虑。失速速度是反映飞机气动特性的重要参数，在开展失速速度的验证时考虑滑流的影响尤为重要。分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响，根据涡桨运输机失速速度的适航规章条款CCAR25.103的相关要求，提出了涡桨运输机考虑滑流影响的失速速度的适航验证思路及具体的验证方法。以一型涡桨运输机滑流影响的风洞试验为例，给出了该型飞机在发动机慢车状态下，巡航构型时考虑滑流影响的纵向气动特性试验结果，试验结果进一步证明了在进行失速速度验证时考虑滑流影响的重要性，为失速试飞提供了依据。文中给出的验证方法为涡桨运输机的失速速度以及飞行性能和飞行品质相关的其它适航条款的验证提供了参考。     

基于滑移网格的螺旋桨滑流影响研究

基于滑移网格技术,通过采用准定常N—S方法,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。以某带四台螺旋桨发动机的巡航构型为例,对比研究滑移交界面的影响,确立准确的滑移交界面建立方式,进而重点对某带后缘襟翼的螺旋桨飞机的流场特性进行计算分析,研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响。数值计算表明：提出的用于研究螺旋桨滑流影响效应的滑移网格方法,是螺旋桨飞机设计评估的一种有效数值模拟手段,可简化动静网格的数据交换,具有一定的工程实用价值。     

考虑滑流影响的埋入式进气道气动特性分析与流动控制研究

研究滑流对埋入式进气道性能的影响机理对于发动机的稳定性具有重要意义。针对某型涡桨发动机 滑油散热器进排气道系统,基于 CFD技术建立系统的螺旋桨滑流与滑油散热器内流一体化数值模拟方法,进 行考虑滑流影响的滑油散热系统埋入式进气道气动设计仿真分析;针对埋入式进气道由于吸入边界层低能气 流导致通过散热器流量低的问题,设计4组涡流发生器进行主动流动控制。结果表明:滑流使得进气道中的气 流偏离,难以形成稳定漩涡,容易发生流动分离;而合理设计的涡流发生器可以有效改善埋入式进气道内流场 特性,并使通过散热器的流量提高12%。     

旋翼螺旋桨/机翼巡航状态气动干扰规律研究

为优化倾转旋翼机气动布局,研究旋翼螺旋桨与机翼间复杂的气动干扰,在考虑有限翼展三维效应、翼尖小翼情况下,通过改变机翼外翼段的长度,研究了旋翼螺旋桨与机翼间的气动干扰规律。使用计算流体力学的三维非定常计算方法获得了巡航状态下旋翼螺旋桨与机翼的流场特征及气动特性参数,研究了螺旋桨滑流对机翼的上洗、下洗作用,以及机翼对螺旋桨滑流的阻塞作用。计算结果表明,随着机翼外翼段的增长,阻塞作用加大,螺旋桨的拉力系数、功率系数均有增大,并且存在周期性波动,波动幅值在5%~6%;机翼受螺旋桨滑流上、下洗作用,其升力系数和阻力系数都减小,但升力系数减小更为明显,升力系数和阻力系数都出现了1%左右的波动。计算同时也反映了有限翼展的三维流动特点。