螺旋桨滑流数值模拟方法及气动干扰研究

摘要

面对如今高油价带来的燃油成本压力和碳排放等造成的环境问题，低耗油率的螺旋桨动力系统重新成为航空界的研究热点。螺旋桨飞机具有起飞滑跑距离短、爬升速度大等优势，可以降低军用运输机对机场跑道的要求。由于螺旋桨相对机翼旋转运动的特点，螺旋桨滑流与飞机其它部件间存在着复杂的相互干扰作用，对螺旋桨飞机的气动性能和操纵性稳定性带来明显影响，是螺旋桨飞机设计过程中必须考虑的重要问题。发展螺旋桨滑流干扰数值模拟方法，研究滑流干扰作用，对新型螺旋桨飞机设计和气动性能预测有着重要的意义。
　　本文发展了两套模拟螺旋桨滑流气动干扰作用的数值方法：一种是基于动态面搭接网格技术的非定常数值模拟方法；另一种是基于激励盘理论的准定常模拟方法。分别采用两种方法，依次对螺旋桨构型、螺旋桨机翼构型和双发螺旋桨飞机构型，从滑流对飞机气动特性的影响、机翼对滑流流动的干扰以及机翼对螺旋桨气动特性的影响三个方面，系统地研究了螺旋桨滑流流动特性以及滑流与机翼等部件间存在的相互的气动干扰作用，并对两种计算方法进行了对比分析，既增进了对螺旋桨滑流干扰机理的认识，也为螺旋桨飞机设计提供了一个气动性能预测工具。最后利用非定常方法对新型的对转开式转子设计进行了初步研究，并对降低前后转子之间气动干扰的设计方案进行了探索。
　　本文的具体研究工作包括：
　　1、发展了一套满足螺旋桨滑流干扰机理研究的非定常数值模拟方法。该方法基于多块结构化网格，利用动态面搭接网格技术实现网格块之间的相对运动，解决了螺旋桨旋转运动给滑流干扰模拟研究带来的难题。在惯性系下求解非定常Navier-Stokes(N-S)控制方程，数值离散采用有限体积法，非定常时间推进采用双时间法，采用基于动网格的迎风型通量差分格式进行空间离散，并引入Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型，实现对非定常滑流的高精度模拟。该方法可以捕捉到非定常滑流流动的细节，提高了对桨尖涡和桨叶尾流的模拟精度，从而增进对螺旋桨滑流流动特性及其干扰流场的认识。
　　2、验证非定常数值模拟方法对螺旋桨滑流的模拟结果，并分析螺旋桨滑流的流动特点。结果表明，该方法得到的螺旋桨气动特性与实验结果吻合良好，并且，利用非定常数值模拟方法不仅可以得到螺旋桨的气动特性，还可以准确地模拟出复杂的螺旋桨滑流流动细节，并获得螺旋桨旋转过程中桨叶力和滑流发展的非定常周期性规律。此外，滑流区计算网格分布对滑流中桨尖涡和桨叶尾流的捕捉精度有较大影响。
　　3、发展了一套基于激励盘理论的准定常滑流模拟方法。根据螺旋桨桨叶载荷分布建立激励盘面上轴向载荷和旋向载荷分布模型，将其作为边界条件加入到 CFD求解程序中，实现了激励盘理论在CFD计算中的应用。结果表明，本文的激励盘载荷分布模型可以准确地模拟滑流作用，并且旋向载荷的加入不仅实现了激励盘后滑流旋转的模拟，还提高了滑流模拟的精确度。与非定常数值模拟方法相比，激励盘方法降低了滑流数值模拟的难度，并在很大程度上缩短了计算时间。
　　4、分别采用非定常和激励盘两种模拟方法研究螺旋桨滑流与机翼之间的相互干扰作用。对气动干扰影响和流动结构变化进行了细致的分析，结果表明，螺旋桨后气流动压的增大，以及气流旋转带来的机翼当地攻角的改变，会带来滑流区内机翼表面压强分布的改变，进而影响机翼的气动特性。反之，机翼也会给上游的桨叶的气动特性带来影响。机翼阻碍了螺旋桨滑流的旋转，在机翼的上下表面桨尖涡的流向和展向位置都存在明显的错位现象。非定常方法可以获得气动力的变化过程和受干扰后滑流流动结构变化的细节。激励盘方法计算得到的气动力和滑流流动结果与非定常计算的时均结果非常吻合。
　　5、结合静态、动态面搭接网格技术，应用非定常和激励盘方法，对更加复杂的双发螺旋桨飞机翼身组合体构型和增升构型的滑流干扰作用进行研究，并对比分析螺旋桨旋转方向不同时对飞机气动特性的影响。结果表明，螺旋桨滑流对飞机的气动特性有明显的增升作用，与干净机翼相比，滑流对增升装置的增升效果更为明显，因而有助于在起降阶段提高爬升速度，缩短滑跑距离。双发螺旋桨顺转、对转和反对转时滑流对飞机都有一定的增升作用，反对转时最大，顺转次之，对转最小。激励盘方法对该复杂构型的滑流干扰模拟结果与非定常计算结果也吻合良好，因而非常适合用于螺旋桨飞机设计阶段对滑流作用下整体气动特性的预测和工程应用。
　　6、利用基于动态面搭接技术的非定常方法，研究对转开式转子设计中前、后转子间的气动干扰及流动特性，并探索降低前、后转子之间气动干扰的设计方案。结果表明，前转子桨尖涡和桨叶尾流引起后转子桨叶力载荷分布的非定常振荡，从而导致转子气动特性的周期性变化。后转子对滑流有二次加速和导直作用。通过调整前后转子桨叶数，避免前转子桨尖涡与后转子桨叶的直接干扰，可以适当地降低转子气动特性的振荡强度。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 螺旋桨滑流研究进展

1.3 动网格技术的发展

1.4 对转开式转子简介及研究进展

1.5 本文的主要工作

第二章 流动控制方程与数值计算方法

2.1 非定常RANS控制方程

2.2 有限体积法离散

2.3 空间离散格式

2.4 时间推进格式

2.5 湍流模型及其离散方法

2.6 初始条件与边界条件

2.7 动态面搭接边界处理

第三章 螺旋桨滑流非定常数值模拟方法的验证分析

3.1 基于动态面搭接技术的螺旋桨滑流模拟及验证

3.2 不同前进比时的滑流流动特性

3.3 来流攻角的影响

3.4 本章小结

第四章 基于激励盘理论的滑流数值模拟方法

4.1 激励盘理论及载荷分布模型

4.2 激励盘边界条件

4.3 激励盘滑流模拟方法的验证

4.4 激励盘方法与非定常方法的对比

4.5 本章小结

第五章 螺旋桨滑流与机翼气动干扰问题研究

5.1 非定常方法

5.2 激励盘方法

5.3 非定常方法与激励盘方法的对比

5.4 本章小结

第六章 双发螺旋桨飞机滑流干扰及影响分析

6.1 滑流对翼身组合体构型的气动干扰作用

6.2 螺旋桨旋转方向对滑流干扰作用的影响

6.3 滑流对增升构型的气动干扰作用

6.4 本章小结

第七章 对转开式转子气动特性及影响因素研究

7.1 几何模型与计算网格

7.2 前后转子气动特性

7.3 前后转子桨叶力分布

7.4 滑流流动特性

7.5 转子桨叶数的影响

7.7 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 本文工作总结

8.2 今后研究工作的设想

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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