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。     

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。     

螺旋桨滑流对菱形翼布局无人机气动的影响

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Navior-Stokes （RANS）方程的多重参考系（MRF）方法对带桨状态的低雷诺数菱形翼布局无人机（UAV）的气动特性进行了准定常数值模拟,通过对无人机带桨状态和干净构型的气动力系数及流场结构特性进行对比分析,研究了螺旋桨在不同安装位置时其滑流对菱形翼布局无人机气动特性的影响。研究结果表明,螺旋桨滑流并不总能提高无人机的升力特性;螺旋桨安装在机头及前翼时后翼受到螺旋桨滑流形成的组合涡系的影响,其气动性能有较大的变化;螺旋桨滑流对机翼的增升作用还受到机翼掠角和螺旋桨旋转方向的影响;受布局特性影响,当安装位置远离焦点时,螺旋桨滑流对无人机的俯仰力矩特性影响较大。     

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。     

螺旋桨飞机滑流非定常数值模拟研究

采用非定常数值模拟方法,基于滑移网格技术,分析研究螺旋桨滑流对全机气动特性的干扰影响。用多块结构网格数值模拟软件,从搭接边界建立、搭接网格生成、流场插值传递3个方面对螺旋桨滑移搭接网格的数值模拟方法进行全面详细的介绍,并且阐述基于该技术的非定常数值模拟方法。在此基础上,开展螺旋桨飞机模型验证计算,分析研究螺旋桨滑流对全机流场和气动性能的影响,通过与风洞实验数据的对比分析,验证滑移搭接网格技术的可行性与准确性。研究结果表明,基于滑移搭接网格技术的螺旋桨滑流数值模拟,可以真实反映螺旋桨滑流流场特性,为螺旋桨类飞机的设计评估提供一种有效的数值模拟手段,在工程方面具有重要的实用价值。     

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。     

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。     

耦合多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼设计

以某型手抛式太阳能无人机(UAV)模型为对象进行考虑多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼平面形状设计研究。首先,基于升力面理论发展了准定常求解多螺旋桨/机翼相互气动干扰问题的涡格法(VLM)程序,并采用建立参考翼型气动特性数据库的形式发展了相关低雷诺数修正(LRC)方法;然后,通过对翼型、低雷诺数机翼及单螺旋桨/机翼算例的数值模拟及与相关实验结果的对比,验证了本文数值方法具备模拟低雷诺数复杂流动问题的可靠性及准确性;最后,对某型手抛式太阳能无人机简化拉力多螺旋桨/机翼模型进行了直接优化设计及反设计,并通过具有较高精度的CFD准定常求解技术对优化结果进行了验证。结果表明:以CFD方法计算结果为参考,本文涡格法程序及低雷诺数修正方法能够准确高效地计算相关低雷诺数复杂流动问题;传统未考虑多螺旋桨滑流影响的设计机翼在实际螺旋桨工作状态下将偏离设计点,机翼气动特性得不到提高;考虑螺旋桨滑流影响的优化设计方法能够有效改善机翼阻力特性,相对应地,在设计状态下优化机翼总阻力能够降低19.52counts。     

低雷诺数螺旋桨滑流对机翼气动特性的影响研究

深入研究低雷诺数滑流对机翼的影响,能够推进临近空间低速流动机理性研究,提供可靠的气动参数。参考某太阳能无人机,建立单螺旋桨计算模型,采用两叶螺旋桨,通过ICEM网格软件生成具有两个计算域的高质量结构网格,应用滑移网格边界条件,对模型进行数值模拟;分析低雷诺数螺旋桨滑流的发展和机翼在滑流作用下的非定常气动特性,研究不同螺旋桨位置对机翼气动特性的影响,计算结果表明螺旋桨滑流会很大程度地改变机翼表面压力分布和沿翼展的升力分布,对机翼升阻特性有显著影响,同时螺旋桨滑流可以抑制机翼表面层流分离泡的产生。     

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。     

一种基于螺旋桨部件特性的螺旋桨建模方法

通过缩比法,利用螺旋桨通用部件特性获得期望研究的螺旋桨部件特性,提出了飞行速度不为零条件下的螺旋桨数学模型建模算法,同时,借鉴缩比后螺旋桨部件特性、螺旋桨定桨叶角工作性能曲线以及螺旋桨空气动力学原理,分析了静拉力状态下的螺旋桨功率系数、拉力系数、桨叶角、螺旋桨静态推力进距比阈值以及螺旋桨几何设计参数的相互作用关系,提出了静拉力状态下的螺旋桨数学模型建模算法。所述算法与Gas Turbine Simulation Program (GSP)软件仿真数据进行了数字仿真对比验证。结果表明:所提出的螺旋桨建模算法具有有效性,在前进状态下,螺旋桨拉力相对误差最大不超过6.6059×10-6,需求功率相对误差最大不超过5.5098×10-6,效率相对误差最大不超过6.6955×10-6。      

后桨桨距角对某共轴对转螺旋桨性能影响规律研究

共轴对转螺旋桨的桨距角对前后排桨的桨间气动干扰有重要影响,能够改变螺旋桨的气动性能。为了研究后桨桨距角对共轴对转螺旋桨的气动干扰影响,改善螺旋桨的气动性能,在来流马赫数0.453 的情况下,通过调节后桨桨距角的方式对6×6 构型的共轴对转螺旋桨进行数值计算,数值计算中使用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯（URANS）方程结合SST 湍流模型的方法,并采用T-Rex 高质量网格生成技术研究桨距角对共轴对转螺旋桨桨间气动干扰的变化规律。结果表明：后桨在前排桨产生的预旋气流作用下,能够吸收一部分前桨的切向滑流能量,且气动效率高于前桨,前后桨的气动参数在一个旋转周期内出现12 次周期性波动;共轴对转桨的前后桨转速相同时,前桨桨距角不变,减小后桨桨距角,前后桨的气动效率都会增加,后桨效率提升明显。     

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。     

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.     

螺旋桨桨毂疲劳试验加载方法

为解决螺旋桨桨毂疲劳试验中气动载荷、离心载荷的干涉问题,基于对桨毂所受载荷及其可测试性的分析,设计了加载方法.灵活运用全桥电路试验原理,通过载荷的动、静态标定等流程环节,形成以控制应变输出为基础的加载方法.对载荷标定过程中非标定载荷与标定载荷的相关性及其引起的加载误差进行了分析,采用应变线性叠加法减小了两种载荷的相互影响,从而实现气动载荷和离心载荷的准确施加,加载系统的误差在5%以内.      

航空发动机桨轴有限元应力分析

为了研究航空涡桨发动机桨轴在飞行试验中所受的载荷问题,对某型发动机桨轴进行几何建模,并运用有限元软件ANSYS对桨轴在离心力、拉力、扭矩和弯矩作用下的应力进行了仿真计算,得出了起飞状态下的应力分布,对桨轴贴应变片部位的应力进行了分析,得出弯矩影响最大、扭矩次之、离心应力可以忽略的结论,为飞行试验提供了理论参考数据。     

螺旋桨等离子体流动控制的增效实验

实验依托搭建的螺旋桨等离子体流动控制测试平台,基于等离子体附壁射流抑制边界层分离的两种机制,采用等离子体射流与来流方向相同的正向射流方式和与来流方向相反的逆向射流方式,研究了微秒脉冲等离子体射流对螺旋桨三维流动分离的控制效果,对比分析了两种射流方式增效特点.实验结果表明:在螺旋桨转速为300r/min,电压峰值为8.5kV,脉冲频率为10~160Hz范围内,正向射流有利于减小螺旋桨转矩,逆向射流对转矩的效果则相反.两种射流方式均提高了螺旋桨拉力和效率,同时其控制效果受脉冲频率的影响较大;正向和逆向两种射流分别使螺旋桨效率最大提高了11.56%,2.79%.      

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。      

机翼对螺旋桨发动机旋转颤振的影响研究

为了研究机翼对螺旋桨发动机旋转颤振的影响规律,揭示其影响机理,通过片条理论计算螺旋桨气动载荷,在MSC.NASTRAN软件平台上进行二次开发,对不同结构参数的吊舱-螺旋桨系统和机翼-吊舱-螺旋桨系统进行了旋转颤振分析。研究表明,机翼结构的弹性会大幅降低发动机俯仰模态频率,而小幅降低发动机偏航模态频率,从而改变两模态频率之差,影响模态耦合的程度,进而改变旋转颤振速度。另外,当发动机的运动与机翼翼面的运动耦合紧密时,机翼翼面的气动载荷能够显著提高发动机的旋转颤振速度。     

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。