螺旋桨滑流与机翼气动干扰的非定常数值模拟

基于动态面搭接网格,求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟螺旋桨滑流与机翼的干扰流动.分别对3种构型,即:单独螺旋桨十短舱构型、螺旋桨十短舱十机翼构型以及短舱十机翼构型进行流场数值模拟,对比分析了机翼对螺旋桨滑流流动结构的干扰,在滑流作用下机翼气动特性的改变以及机翼对螺旋桨桨叶气动力的影响.模拟结果表明:...     

考虑螺旋桨滑流影响的机翼气动优化设计

涡桨飞机的机翼、短舱等部件在滑流作用下周围的流场特性与无滑流状态下截然不同。所以,应该在涡桨飞机的机翼气动设计过程中考虑螺旋桨滑流的影响,从而使得机翼在真实飞行时滑流作用下表现出更好的气动特性。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的多重参考坐标系(MRF)方法对螺旋桨滑流进行高精度准定常数值模拟,通过自由变形(FFD)技术实现螺旋桨飞机机翼的参数化构建,应用径向基函数(RBF)插值的动网格技术进行网格自动生成,获得样本机翼在滑流影响下的气动数据后,建立目标函数和状态函数的Kriging代理模型,结合随机权重粒子群优化(PSO)算法、Kriging代理模型和对应的EI(Expected Improvement)函数加点准则进行加样本点以及代理模型重建,从而建立滑流影响下机翼气动优化设计系统。使用该系统对某型螺旋桨飞机进行了滑流影响下的优化设计,结果表明,优化后的构型机翼和短舱在巡航状态下减阻达3.98counts,升阻比提高了3.325%。因此,建立的考虑滑流影响下的机翼优化设计方法是可行的。     

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。     

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。     

螺旋桨滑流的三维流场特性数值研究

对不同前进比下的螺旋桨滑流流场进行了三维数值模拟,并采用诱导系数来量化螺旋桨的滑流效应,结合涡流理论深入分析和研究了单独螺旋桨的滑流流场特性。结果表明:螺旋桨滑流具有加速效应和扭转效应,其分别可用轴向诱导系数和环向诱导系数来量化;滑流的加速效应沿径向呈先增后减的趋势,而扭转效应沿径向递减;滑流的加速效应和扭转效应均随前进比的增加而减弱。螺旋桨的涡系结构主要包括绕桨叶的附着涡、从桨尖和桨根逸出的自由涡、从桨叶尾缘逸出的自由涡系,以及固体壁面附面层处的涡结构。螺旋桨滑流区的流场可由轴向诱导系数、环向平均的环向诱导系数以及涡系结构共同描述。      

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。      

滑流对涡桨飞机进气道气动性能影响的研究

螺旋桨滑流产生的加速效应、旋转效应、粘性效应等对于处于后方的进气道性能有显著的影响。基于计算流体力学方法(CFD),通过求解非定常 RANS方程,采用滑移动态网格技术来模拟螺旋桨的旋转,建立考虑螺旋桨滑流的飞机进气道气动特性数值仿真方法;以某多轴式涡桨动力系统为研究对象,对螺旋桨滑流对进气道内流的影响进行分析。结果表明：在地面与起飞两个大拉力状态下,有滑流进气道出口总压恢复系数较无滑流的有所提高;而巡航状态下有滑流进气道出口总压恢复系数却降低,除地面小速度状态外,在起飞以及巡 航飞行状态下,滑流会增加进气道出口总压畸变指数。     

不同分布式螺旋桨转向组合下的机翼滑流效应研究

目前航空喷气式发动机仍为运输类飞行器的主要动力且仍在不断进步,但关于未来航空运输的分布式螺旋桨推进、分布式涵道推进等各类电推进概念研究早已开始,并将成为未来运输类航空飞行器的核心竞争力。文中首先采用等效盘方法对单独螺旋桨进行算例验证,计算得到的拉力、扭矩与试验结果吻合较好,且与非定常时间平均的滑流速度分布相近;然后,基于雷诺平均N-S方程,结合SA湍流模型,运用无厚度圆盘代替真实分布式螺旋桨,完成四种分布式螺旋桨旋转组合下的机翼滑流效应研究;最后,对单个螺旋桨正反转情况下的滑流效应进行研究,特别是单个螺旋桨滑流对机翼升阻力增量影响情况。分析结果表明:四种分布式螺旋桨转向组合下的滑流效应均引起机翼升阻力增大;机翼升力与其上下表面吸力峰数量关系密切,而分布式螺旋桨的转向组合直接决定了机翼吸力峰数量,特别是翼尖螺旋桨转向;相邻桨叶转向相反时,其转轴中间位置桨叶均处于上行或下行状态,使得转轴中间区域机翼前缘吸力相对转向同向状态有所加强或减弱;翼尖螺旋桨逆翼尖涡方向旋转具有增升减阻效果,反之则增阻减升。     

前/后置螺旋桨对涡桨发动机性能影响的整机试验

基于一款15 kW涡桨发动机,构建了带偏置进气道的前/后置螺旋桨整机试验台,探究了前/后置螺旋桨流动特性对涡桨发动机性能的影响规律.研究结果表明:随着燃气涡轮转速的增加,螺旋桨滑流增压效果增强、进气道内气流损失增加,其中相对换算转速64％及88％状态滑流增压效果分别为0.35％及0.7％,综合表现为前置状态下螺旋桨/进...     

滑流对飞机纵向静稳定性影响的数值模拟

针对某"机身+机翼+襟翼+短舱+螺旋桨+平尾"简化构型,开展低速大拉力系数工况下强螺旋桨滑流的数值模拟。模型为翼吊双发布局,动力计算时分为三个计算域,分别为两个包含螺旋桨的旋转域和一个静止域。采用商业软件ICEM CFD生成多块面搭接非结构网格,在机体表面和滑流区域对网格进行加密以便于捕捉螺旋桨滑流的发展及其与机翼、尾翼等部件之间的干扰。采用ANSYS CFX软件求解雷诺平均Navier-Stokes方程,使用多参考坐标系(MFR)方法模拟螺旋桨的旋转。基本构型有/无动力的计算结果表明螺旋桨动力及其产生的滑流对模型的纵向静稳定性影响较大,模型的纵向静稳定性在迎角较小时下降明显甚至丧失,在迎角较大时反而略有增加。一般而言,涡桨飞机平尾处的流场受气动布局、迎角、机翼及襟翼的下洗和螺旋桨滑流及其强度等因素的共同影响。对模型各部件的俯仰力矩特性及尾翼区流场细节进行详细分析可知,小迎角时飞机纵向静稳定性的下降是由于平尾受到机翼及襟翼较强的下洗作用而导致效率下降,而此时平尾没能进入滑流区,不能有效利用滑流区内高能气流来提高平尾效率。并且由于两个螺旋桨同为逆时针旋转,右侧平尾的贡献高于左侧平尾。为了验证这一结论,分别将螺旋桨向上平移0.7m和将平尾下移0.86m并进行数值模拟,结果表明平尾对模型纵向静稳定性的贡献均有增加。     

基于动态重叠网格方法的尾翼对螺旋桨滑流的影响

螺旋桨飞机产生的滑流会对其扫掠过的部件产生显著干扰,研究尾翼部件对滑流的影响有助于将滑流与尾翼的干扰进行解耦分解。采用动态重叠网格方法模拟螺旋桨定轴转动,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程,数值模拟了某螺旋桨飞机带尾翼构型的有/无滑流状态,通过试验结果对计算方法的正确性进行了验证。在此基础上,分别开展了有/无尾翼构型的滑流计算,结果表明：扣除尾翼气动力后,有/无尾翼的升阻力变化规律基本一致,俯仰力矩由于机身后体修形不同呈线性平移关系;对比有/无尾翼空间切面的速度分布云图、不同空间位置和拉力系数下的下洗角和侧洗角变化曲线,发现尾翼对滑流的影响仅局限在其周围,不同拉力系数下尾翼的干扰规律也基本类似。通过研究认为,在飞机初期设计和选型阶段,螺旋桨滑流与尾翼的相互干扰,可简化为滑流单向对尾翼产生影响,尾翼对滑流的影响可以忽略。     

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%。     

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。     

基于非定常面元/黏性涡粒子法的低雷诺数滑流气动干扰

针对太阳能无人机螺旋桨滑流与机翼的气动干扰,考虑了低雷诺数流动下气体黏性和压缩性影响,并根据黎曼边界条件和涡量等效原则建立了能够快速计算分析螺旋桨-机翼气动干扰的非定常面元/黏性涡粒子的混合方法。首先使用有试验数据的风洞模型以及数值模拟技术对混合方法进行验证,在此基础上研究了不同安装位置与工况下螺旋桨与机翼的气动干扰。结果表明:螺旋桨对轴向气流的加速以及滑流诱导的上洗和下洗效应使机翼气动力呈现出增升增阻的现象,机翼升阻比有所下降。较大的弦向间距以及较高的垂直安装位置在减缓机翼升阻比下降的同时也使得螺旋桨拉力有所减小。对于多个螺旋桨的气动干扰,不同的桨叶旋转方向导致机翼气动力不同的变化规律,当旋转方向与机翼翼尖涡反向时,螺旋桨滑流能够抑制翼尖涡的强度,提高机翼气动效率。     

螺旋桨滑流对简单襟翼吹气控制的影响

为探究螺旋桨滑流对无缝简单襟翼吹气控制的影响,设计了集成吹气系统和螺旋桨的高升力翼型模型,开展了简单襟翼吹气控制的测压和粒子图像测速仪(PIV)流场测试试验,在不同拉力系数下,研究了定常吹气和脉冲吹气对模型不同展向截面的控制效果。结果表明:滑流影响下控制效果具有明显的三维效应,在相同吹气动量系数下,滑流强度较大的截面具有较高的吹气控制效率;对于脉冲吹气,滑流强度较小时,基于襟翼弦长的最佳无量纲频率约为0.31;在最佳频率的吹气可在较低动量系数下实现较大的增升量;最佳频率受滑流强度影响明显。研究结果对高效的吹气襟翼设计提供了试验依据,提出了螺旋桨滑流影响下的吹气襟翼设计建议。      

考虑螺旋桨滑流影响的垂尾飞行载荷设计

依据CCAR-25部偏航机动的设计准则,研究了螺旋桨滑流对垂尾载荷设计的影响.以T型尾翼布局、桨叶右旋的某支线客机为例,分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响:拉力系数越大,则滑流对飞机侧向力系数和偏航力矩系数的影响越大;在负侧滑时,滑流对飞机气动特性数据的影响显著;正侧滑时,滑流对飞机气动特性的影响较小.基于飞行力学六自由度非线性微分方程,开展了有/无滑流影响情况下偏航机动仿真和垂尾载荷设计.结果表明:螺旋桨滑流使得飞机的响应幅值增大,算例飞机的垂尾侧向力、弯矩和扭矩限制载荷分别增大5.21％、8.21％和4.85％.     

涡桨飞机滑流影响的非定常数值模拟验证

通过求解绝对坐标系下的非定常雷诺平均Navier-Stokes方程,计算了螺旋桨非定常滑流对某涡桨飞机起飞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,计算结果与试验值相当吻合,研究表明:滑流区内襟翼上的动压得到明显增强,同时高速滑流也起到一个吹除在大偏度襟翼上堆积的附面层作用,延迟了襟翼上气流的分离,这两个因素明显提高了襟翼效率,另外经过机翼的导流作用后,滑流对襟翼的洗流不像机翼那么明显。本文还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。     

低雷诺数分布式螺旋桨滑流气动影响

以高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAVs）研究为背景,采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的多重参考系（MRF）方法,对3种螺旋桨-机翼构型的低雷诺数气动特性进行了高精度准定常数值模拟,在等拉力前提条件下,通过对比机翼气动力系数及表面流场结构特征分析了分布式螺旋桨（DEP）滑流对FX63-137机翼的气动影响。研究表明：螺旋桨滑流影响使得桨后总压及流速显著增大,这是机翼升力增大的主要原因,但同时机翼阻力特性急剧恶化,升阻比反而降低;螺旋桨滑流向机翼边界层内注入丰富湍动能从而抑制流动分离,扩大机翼表面湍流范围及附着流动区域;分布式螺旋桨滑流与低雷诺数机翼表面复杂流动相互作用显著,主要表现为滑流区域边界展向涡结构的产生。     

螺旋桨滑流对平尾载荷的影响分析

为了研究涡轮螺旋桨滑流对平尾的载荷影响,以某高平尾、螺旋桨桨叶右旋的运输机为例,通过带动力风洞测力测压试验获得了飞机的气动特性,试验结果给出了螺旋桨不同拉力系数状态下滑流对飞机俯仰力矩系数、平尾法向力系数的影响。在飞机正迎角较大时,滑流对飞机气动特性数据的影响显著。按照CCAR-25部对称机动的设计准则,利用飞行力学六自由度非线性微分方程,结合试验结果开展了有/无滑流影响两种情况下对称机动仿真和平尾载荷影响分析。分析结果表明,螺旋桨滑流使得飞机的响应幅值变化较大;平尾的法向力、弯矩和扭矩限制正载荷明显增大,限制负载荷有所减小。     

非对称入流对“螺旋桨/机翼”系统气动特性的影响

针对“螺旋桨/机翼”系统在复杂非对称入流情况下的非定常气动相互干扰问题，采用混合结构-非结构滑移网格方法，结合非定常雷诺平均Navier-Stokes方程，研究了偏航角及入流条件（包括攻角和来流风速）对螺旋桨/机翼相互气动干扰和滑流流场的影响，并与无滑流模型计算结果进行对比。结果显示：在三维非对称入流的影响下，偏航角从0°增加到20°时，机翼升、阻力系数分别降低了4.9%和10.64%，但是螺旋桨的拉力系数和推进效率则大幅提升了18.36%和7.26%，非对称入流机翼升力系数曲线变化幅度为对称入流的4倍。在攻角不变，改变偏航角时，螺旋桨滑流增加了机翼俯仰力矩稳定性裕量。但是随着攻角的变化，飞机纵向不稳定性逐渐增加，在桨后气流的影响下，两侧机翼上表面吸力峰均向左和向前移动，上下表面的吸力峰值均明显增大。在不同的风速下，有滑流影响的机翼升力特性相对无滑流影响的机翼增加量均在20%附近，且不断增大。