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.     

螺旋桨滑流对发动机进气道气动性能的影响

针对螺旋桨/短舱/进气道一体化构型,采用多重参考系(MRF)法和滑移网格非定常法进行了数值模拟研究,实现了螺旋桨/短舱/进气道一体化内外流耦合流场仿真,研究了不同工况下螺旋桨滑流对进气道气动性能的影响,并与无桨构型的进气道性能进行了对比,最后通过数值分析解释了螺旋桨桨盘后总压上升的原因。结果表明:多重参考系法和滑移网格非定常法对进气道出口的时均参数的计算结果吻合较好,多重参考系法可用于螺旋桨及进气道的气动性能参数计算;螺旋桨做功使进气道总压恢复系数增高,螺旋桨转速越大,总压恢复系数的增量就越大,且螺旋桨滑流使进气道出口畸变指数明显增大;通过数值分析推导的桨盘前后总压关系公式与仿真结果的误差均在3%以内。      

高性能螺旋桨优化设计

无人多旋翼飞行器使用的桨叶以固定翼螺旋桨为主,但其气动环境与固定翼不尽相同。使用逆向重构技术对原始桨叶进行参数化建模,并基于CFD数值计算技术对参数化基准模型的扭转角分布规律和叶型积叠方式在垂直飞行状态下进行优化设计。结果表明:在功率允许范围内,桨叶在悬停状态下的效率有了较大提升。     

复合材料螺旋桨结构多目标优化设计

在螺旋桨桨叶结构设计的工程实践中,减轻重量和增加扭转刚度是两个主要目标,而复合材料的应用增加了螺旋桨结构的可设计性。以某复合材料螺旋桨为例,基于有限元方法,以桨叶的复合材料铺层数量与铺层角度为优化设计变量,以螺旋桨桨叶强度、弯曲刚度为约束条件,采用快速非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)对该复合材料螺旋桨进行多目标优化设计。得到了关于两个目标函数的帕累托解集,即综合考虑桨叶质量与扭转刚度两个指标的最优设计参数集。本文为复合材料螺旋桨的结构设计提供了一种有效的思路。     

平流层飞艇动力推进系统的分析与设计

针对平流层飞艇螺旋桨与直流无刷(DC)电动机匹配问题,建立了直流无刷电动机模型和螺旋桨模型;结合匹配设计和直流无刷电动机转速控制,在Simulink中设计了螺旋桨与直流无刷电动机控制系统仿真模型,研究飞艇在0~10m/s巡航速度下动力推进系统控制响应问题;采用图形用户界面(GUI)编写螺旋桨与直流无刷电动机匹配界面,开发了一种螺旋桨与直流无刷电动机匹配软件;得到了飞艇在0~10m/s巡航速度下,螺旋桨工作转速为535~1 071r/min,动力推进系统工作效率为0.558~0.593时推进系统匹配设计的工作曲线,为高空螺旋桨与电动机的匹配设计提供了参考依据.     

临近空间螺旋桨气动性能分析

基于叶素理论和儒可夫斯基涡流理论,通过求解螺旋桨合成速度、速度环量及诱导速度的非线性方程组,分析了高度为20 km的临近空间中桨叶数目、桨径长度、旋转速度及前进速度对螺旋桨气动性能的影响。结果显示:诱导速度、拉力、扭矩沿桨径的分布规律都是先增大后减小;螺旋桨拉力随桨径长度、旋转速度的增大而增大,随前进速度的增大先增大后减小且峰值在0.45 Ma左右;螺旋桨效率随桨叶数、桨径长度和旋转速度的增大而减小,随前进速度的增大先增大后减小且峰值在0.1 Ma左右。     

摆线桨非定常动态失速的三维效应

对摆线桨三维全尺寸模型进行了非定常数值模拟。验证了两种嵌套网格方法的可靠性与适用性,针对二维/三维情况下摆线桨非定常涡流动特性及诱导分离特性开展了数值分析,重点研究了展向气动力随方位角的分布与全局流场的诱导速度分布,并分析了尾迹捕捉精度与涡量耗散特征。结果表明:受摆线桨切向速度、展向诱导速度等三维效应影响,两种计算结果的瞬态气动力极值差值达到44%。三维动态失速涡的产生、脱落与再附明显弱于二维翼型情况,这对于摆线桨非定常气动特性有较大影响。      

短舱及离散精度对螺旋桨桨叶载荷分布的影响

采用多块结构网格生成技术,分别生成螺旋桨加中心体和螺旋桨加短舱两种构型的动态面搭接网格。在相同计算状态下,分别对螺旋桨加中心体和螺旋桨加短舱流场进行不同时空离散精度的数值模拟。与螺旋桨加中心体构型的计算结果进行对比,发现短舱的出现较大程度改变了螺旋桨桨叶载荷分布,并且采用不同时空离散精度,载荷分布的改变程度不同。     

大型水洞中螺旋桨尾流场PIV测试研究

以标准桨DTMB-P4119为试验对象,开展了螺旋桨尾流场测试分析。试验捕捉到了清晰的螺旋桨梢涡和尾涡的流动结构以及梢涡、尾涡片在尾流中的演化。分析比较了三种载况下的尾流特征,利用捕捉到的梢涡涡心坐标计算了部分涡线的螺距角。文章将测试结果与LDV测试数据进行了比较分析,结果表明,PIV与LDV对微观流动结构的测量取得了比较一致的结果。     

船舶推进器叶梢部流动PIV测试

利用2D-PIV（particle image velocimetry）技术在空泡水筒中对螺旋桨叶梢部流场进行了详细的测量。选用松花粉为示踪粒子,通过驱动轴轴编码器输出相位信号,经同步控制器控制CCD摄像及两激光器出光,解决了螺旋桨相位、激光器与CCD三者的同步控制与连续采集问题。轴向平面每一相位下均测量获得100幅瞬时速度矢量场,采用相位平均方法获得了同一相位下的平均速度场。比对了叶梢附近桨盘面前后流动的差异以及沿径向叶梢内外流场的不同,利用测试数据研究了梢涡、尾涡的结构。