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。     

D300mm×3420mm圆管内旋转流流场的LDV实验测量

利用激光多普勒测速仪（LDV）对直径D300mm×3420mm圆管内的旋转流场进行了实验测量,重点测量切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布。测量结果表明圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态,旋转流强度沿轴向存在着明显的衰减特性,且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动,即由上游的刚性涡逐渐向下游的准自由涡和刚性涡组合过渡;轴向速度的分布存在着很大的不均匀性,在r=0．5R区域存在一个轴向速度的低速区,甚至出现上行,但在轴向位置z〉10R后轴向速度全部向下,并向均匀分布发展;圆管内的切向湍流强度比轴向湍流强度大一倍,两者的湍流强度在准自由涡区径向分布比较平均,中心刚性涡区域的湍流强度比较高,而且随轴向位置的变化衰减不明显。     

对转螺旋桨流场气动干扰数值模拟

基于结构网格动态面搭接技术,通过求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程,对单独螺旋桨(SRP)滑流流场进行了数值模拟,结果与风洞试验数据吻合良好,在此基础上深入研究了对转螺旋桨（CRP）的非定常滑流效应及前后桨之间的气动干扰现象。计算结果表明:所采用的非定常RANS方法能够良好刻画对转螺旋桨滑流流场的发展变化特征,适用于分析前后桨气动干扰特性。前后桨桨尖涡的复杂相互作用是导致对转螺旋桨气动干扰的直接原因,后桨桨尖涡对于前桨桨尖涡具有一定耗散作用。在气动干扰影响下,对转螺旋桨气动力会产生周期性波动,波动周期与螺旋桨桨叶数相关, 6×6对转螺旋桨在1个旋转周期内产生了12次波动。气流穿过对转螺旋桨会发生两次加速,因此在相同工况下,对转螺旋桨的拉力系数和功率系数相比于单独螺旋桨分别增大约1倍,效率提升约1.5%。      

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。     

对转桨扇设计参数对噪声水平影响的数值研究

为了研究了对转桨扇叶排间的轴向间隙、叶片弦长和后掠角对气动噪声的影响,设计了7组轴向间隙、叶片弦长和后掠角分别不同的对转桨扇。采用数值模拟软件FineAcoustics对这7组对转桨扇进行了气动声学计算和分析。气动声学计算结果表明：对转桨扇桨叶的气动噪声幅值的大小与前、后排桨叶的轴向距离、后掠角的大小成反比,与叶片弦长成正比;此外,桨叶的载荷噪声在总噪声中起主导作用。     

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。     

涵道风扇布局参数对其气动特性的影响研究

基于Navier-Stokes方程开展了不同气动布局参数下的涵道风扇非定常气动特性数值模拟研究。首先,结合滑移网格方法建立了适用于涵道风扇流场求解的数值模拟方法,并基于NASA涵道风扇试验模型开展了气动性能计算验证。随后,基于所建立的CFD方法开展了涵道风扇气动布局参数对其气动特性的影响研究,揭示了悬停状态下桨尖间隙和桨盘/涵道轴向相对位置对涵道风扇流场与气动性能的影响规律。结果表明：较大的桨尖间隙对桨尖涡的抑制作用减弱,导致涵道风扇的气动性能大幅降低,同时,桨尖涡强度的增加极大地改变了桨叶尖部的压强分布;当桨盘由基准位置向涵道出口方向移动时,涵道内的诱导速度分布发生改变,涵道唇口处气流速度降低,唇口的负压峰值下降,导致涵道拉力减小,当桨盘位置由基准位置向涵道入口移动时,桨尖涡的卷起对唇口处流动的影响加剧,导致涵道拉力明显降低。     

桨扇后掠降噪规律及声学机理数值研究

结合三维流场数值模拟方法和声学Ffowcs Williams-Hawkings方程声类比方法,对对转桨扇流动及声学特征进行仿真分析,研究了桨叶后掠角对对转桨扇的气动性能和气动噪声的影响规律。结果表明：对转桨扇桨叶后掠角从0°增加至40°,高速巡航状态推进效率可提高接近1.5个百分点,起飞状态推进效率提升不大;桨扇噪声大小与后排桨叶吸力面压力脉动强度有直接关系,增大桨扇桨叶后掠角可明显降低压力脉动强度,从而降低起飞状态下对转桨扇整个角向范围内的噪声大小;在噪声最大的75°角向位置,后掠角从0°增至40°声压级降低达3 dB以上。     

高效弯掠对转桨扇流动特点与桨距调节规律

采用数值计算的方法分析了高亚声速来流条件下弯掠对转桨扇的流动特点,开展了不同自由来流马赫数下的高效对转桨扇桨距调节规律的研究。研究表明：在弯掠桨扇的内部流场,从约30%相对叶高位置处开始形成明显激波结构,但当弯掠桨扇通道内峰值马赫数在1.2及以下时激波强度相对较弱,流动损失在可接受范围。由于桨距角对桨扇的推进效率影响显著,研究提出了可行有效的对转桨扇桨距调节方法,数值计算表明桨扇的推进效率均在75%以上。数值仿真预测的各马赫数下桨扇的推力值表明前叶推力对马赫数的变化更加敏感。     

螺旋桨滑流对自转旋翼气动特性影响分析

自转旋翼机在前飞时螺旋桨滑流穿过桨盘平面,为研究螺旋桨滑流对自转旋翼的非定常气动干扰,基于RANS(雷诺平均Navier-Stokes)方程,采用运动嵌套网格方法建立了适用于自转旋翼-螺旋桨气动干扰流场的计算分析方法,并对模型进行模拟。分析低速情况下,孤立状态自转旋翼和组合状态自转旋翼非定常气动特性及流场特性,研究不同速度及螺旋桨位置对自转旋翼气动特性的影响。计算结果表明螺旋桨滑流会影响自转旋翼在各方位角的升阻力特性,并引起自转旋翼尾迹在0°方位角附近发生畸变;相同升力下,来流速度越大旋翼后倾角越小,螺旋桨滑流对自转旋翼影响越小;增大螺旋桨与自转旋翼间距可以减弱螺旋桨滑流对自转旋翼的气动干扰。     

共轴刚性旋翼悬停状态地面效应气动特性

为了研究地面效应下共轴刚性旋翼的气动特性,建立了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的气动干扰数值方法,采用运动嵌套网格模拟双旋翼的反转运动。地面采用无滑移边界条件,并对旋翼和地面附近的网格进行加密,以更好地捕捉旋翼的流场细节和尾迹特征。计算结果与Lynx尾桨试验结果进行对比,验证了所建立方法的有效性。对地面效应下共轴刚性旋翼的气动性能和流场进行分析,结果发现：相对于单独的上下旋翼而言,共轴旋翼地面效应下的拉力增益更大,这是由于上下旋翼桨叶表面的压强干扰受地面高压的影响而减弱;地面的干扰主要影响双旋翼尾迹的径向位置,对其轴向位置影响不大,上下旋翼尾迹在地面附近相互融合、分裂,形成复杂的桨尖涡尾迹;双旋翼在地效下的尾迹径向扩张半径比单旋翼大,这是由于双旋翼的径向射流速度更大;随着旋翼距地面高度的增加,双旋翼间的气动干扰强度逐渐恢复,因此下旋翼拉力增益的下降速度比上旋翼更大;共轴旋翼桨尖涡相对卷起高度和扩张半径均随离地高度增加而减小。     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性。实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构。叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散。叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定。与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象。叶片出口近尾缘处30％以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加。     

涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性影响的实验研究

为了探究涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性的影响,在一台低速轴流压气机转子上开展了实验研究。将梯形和半球形两种涡流发生器分别安装在转子叶顶上游机匣上,基于不同的安装角度共制定了五种控制方案。分析了气动性能的变化,并采用频谱分析和统计分析方法考察了壁面脉动压力特性的变化。实验结果表明：采用梯形涡流发生器后,除安装角为90°的方案外,其它方案在各工况下扩压能力均略有下降,失速时的流量也明显减小。在流场存在旋转不稳定性或失速的工况,-45°方案时涡流发生器增加了来流的正预旋,增加了气流动量,同时产生的诱导涡会径向迁移,进而抑制了叶顶区域的旋转不稳定性或旋转失速的强度。     

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。     

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。     

后视镜罩边缘结构对流场和气动噪声的影响

采用大涡模拟(LES)的计算方法,对车外后视镜不同边缘结构引起的外部流场和镜后车身表面监测点处的气动噪声进行了数值仿真.研究表明:不同的镜罩边缘结构在较大程度上影响了流经后视镜罩的气流速度和流线方向,对后视镜后部流场和监测点处声压级产生较大影响.相较于原模型的光滑边缘结构,模型1后部流场涡团更远离车身表面,有利于降低气动噪声,某监测点1/3倍频程中心频率处声压级最大降幅接近10dB;模型2后部流场涡团产生分离,并更靠近车身表面,反而使气动噪声增大.模型1的镜罩边缘结构改进方案对车外后视镜-A柱区域的流场和气动噪声都有较好的改善.     

跨声速风扇转子叶尖小翼设计与扩稳机理研究

为了揭示叶尖小翼对跨声速风扇转子气动性能的影响机理,采用数值模拟方法研究了跨声速风扇转子NASA Rotor 67附加不同叶尖小翼的气动特性,并在分析不同叶顶间隙时风扇转子失稳机制的基础上探究了叶尖小翼的扩稳机理。研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在小间隙、设计间隙和大间隙情况下分别使风扇转子失速裕度提高32%,33.6%和70.6%。小间隙时,转子叶尖泄漏涡和叶片吸力面附面层分离是影响风扇转子失稳的关键因素,设计间隙和大间隙时,叶尖泄漏涡导致的大面积阻塞区是影响风扇转子失稳的关键。三种不同叶顶间隙情况下,压力面小翼的扩稳机制均在于有效降低了转子叶尖泄漏涡强度,减弱了叶尖泄漏涡导致的低轴向速度区流体的阻塞程度。