基于AU型螺旋桨的对称螺旋桨水动力性能研究

为特种船舶的需要在AU螺旋桨基础上对叶型进行对称化处理得到对称螺旋桨模型,应用计算流体动力学方法为某AU型螺旋桨进行敞水数值模拟,得到该螺旋桨正向旋转时的水动力性能,并与实验图谱数据进行误差分析,证明数值方法的有效性。为对称螺旋桨进行了敞水性能模拟,对比数据分析对称螺旋桨水动力性能的优势和劣势,为特种船舶的推进设计提供可靠的参考数据。

航空复合材料螺旋桨叶片制造工艺研究进展

螺旋桨推进方式在航空领域占有重要地位。复合材料具有高比强度、高比模量、高阻尼、可设计性等特性,复合材料螺旋桨叶片能够提升螺旋桨减重效率、推进效率、耐蚀性、降噪等方面性能,已成为大势所趋。本文对国内外航空复合材料螺旋桨叶片的研究成果进行回顾和总结,基于传统飞机螺旋桨叶片和旋翼桨叶,对航空螺旋桨叶片材料体系、结构设计和制造工艺进行分类阐述,重点总结复合材料螺旋桨制造工艺中的关键技术问题,概述桨叶制造工艺方面的仿真模拟研究,最后从健全材料体系、优化结构设计、深入工艺研究和加强数值模拟技术的工程化应用几个方面提出了国产化复合材料航空螺旋桨的未来发展方向。

对转螺旋桨气动噪声试验系统设计与试验研究

风洞内对转螺旋桨气动噪声试验存在时间协调难、成本高的问题,依托地面声学环境,研制能够模拟对转螺旋桨地面开车状态的对转螺旋桨气动噪声试验系统。对某穿孔结构的对转螺旋桨和基准桨开展气动噪声试验,对设计的试验系统进行验证,并对穿孔结构对转螺旋桨的降噪效果进行评估。结果表明:在所测试的工况范围内,穿孔结构对转螺旋桨在保证气动性能的前提下能够有效降低噪声;在对飞机舱内影响最显著的90°指向角处,二阶通过频率处降噪量达到5 dB。本文设计的气动噪声试验系统,能够为对转螺旋桨气动噪声评估和降噪设计提供帮助。

改良腓动脉穿支螺旋桨皮瓣在足踝部皮肤软组织缺损中的修复效果

目的:探讨足踝部皮肤软组织缺损患者采用改良腓动脉穿支螺旋桨皮瓣修复的效果。方法:选择2019年7月—2022年12月贵州省人民医院整形烧伤外科收治的100例足踝部皮肤软组织缺损行皮瓣修复的患者。按照随机数表法分为对照组和观察组,各50例,对照组予以腓动脉穿支皮瓣修复,观察组予以改良腓动脉穿支螺旋桨皮瓣修复。观察两组皮瓣情况(皮瓣一期成活率、增生性瘢痕、色素沉着发生率)、皮瓣感觉功能、踝关节活动度(踝关节跖屈、背伸角度)及踝关节功能[美国足踝外科协会(AOFAS)踝与后足评分系统评分]。结果:观察组皮瓣一期成活率为94.00%,高于对照组的80.00%,差异有统计学意义(P<0.05);两组术后增生性瘢痕、色素沉着发生率比较,差异无统计学意义(P>0.05)。观察组皮瓣感觉恢复优良率为88.00%,高于对照组的72.00%,差异有统计学意义(P<0.05)。术后6个月,两组踝关节跖屈、背伸角度高于术前,且观察组高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。术后6个月,两组疼痛、力线及功能维度评分高于术前,且观察组高于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:改良腓动脉穿支螺旋桨皮瓣在足踝部皮肤软组织缺损修复中血运可靠,能改善踝关节功能,促进皮瓣感觉功能恢复,提高皮瓣一期成活率。

带后掠桨尖旋翼/螺旋桨的悬停气弹特性分析

针对旋翼/螺旋桨的大负扭和后掠桨尖设计在桨叶内部所带来的严重应力应变集中问题,结合三维结构动力学模型、旋翼气动模型和旋翼配平方法,对复合材料旋翼/螺旋桨进行了综合建模与气弹载荷分析,并通过悬停实验验证了综合模型的准确性。对比分析了无负扭、大负扭和大负扭带后掠桨尖的桨叶气弹特性,发现大负扭导致桨叶应力集中区域扩大,后掠桨尖使桨尖过渡区域的应力集中区域扩大,集中程度加剧。

轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨性能优化方法

为得到适用于新型轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨,在传统泵喷推进器螺旋桨的基础上进行性能优化方法研究十分必要。利用CFD数值模拟方法对推进器进行水动力仿真,分别对比3个不同的螺旋桨孔径比和3种桨叶厚度分布方案对推进器敞水性能的影响。对比结果发现小孔径比对推进器敞水性能更为有利,其中0.1孔径比推进器比0.3孔径比推进器的敞水效率最大提升了3.25%。厚度反置导致轮缘驱动螺旋桨高半径处压力分布不均匀,扭矩大幅提升,敞水效率大幅降低。轮缘驱动螺旋桨的厚度越小,扭矩越低,敞水效率越高,其中方案C桨的扭矩比方案A最大降低了21.74%,敞水效率最大提升了12.9%。

仿生叶剖面厚度分布对螺旋桨水动力性能影响的数值分析

为进一步分析船舶螺旋桨几何特征的变化对水动力性能的影响,通过参数化的仿生设计方法改变叶剖面的厚度分布并采用SST k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型对具有不同叶剖面形状的仿生船舶螺旋桨进行敞水特性和空化形貌的数值模拟。计算结果表明,合理设计仿生叶剖面的厚度分布可以在一定程度上提高不同进速下的效率和减少桨叶表面的空化面积,但随着仿生叶剖面的最厚点逐渐靠近导边,桨叶表面的空化发展也会提前发生。

电动飞机分布式螺旋桨—机翼设计分析方法研究

为逐步实现航空器从传统能源到清洁能源的转换,将传统涡桨飞机改型成分布式电推进螺旋桨飞机是目前重要的研究方向。本文以运12F飞机巡航性能为约束,根据动量理论对其改型为分布式螺旋桨飞机后的机翼参数进行修正;从螺旋桨桨盘面积、螺旋桨与电动机匹配关系、螺旋桨质量三个方面综合评估确定分布式电推进螺旋桨个数;根据巡航及爬升任务剖面的拉力需求进行螺旋桨设计;将最终确定的分布式螺旋桨—机翼模型与原型机模型在OpenVSP中进行升阻力对比分析。结果表明,分布式螺旋桨的滑流效应在小速度、大迎角下增升作用更明显,可用于提升飞机起飞及爬升阶段性能指标。在巡航及爬升状态下,分布式螺旋桨上置比下置升力特性更好,升力系数可提高约5%,但在小速度时,升力系数提升的代价是阻力系数增加。本文研究为传统涡桨飞机改型为分布式螺旋桨飞机总体设计提供了参考。

活塞动力螺旋桨飞机桨发匹配性能仿真研究

螺旋桨和发动机的匹配工作性能直接关系到螺旋桨飞机的总体性能。针对活塞动力螺旋桨飞机,研究了巡航阶段桨发匹配选速方法。以螺旋桨、活塞发动机和飞机飞行性能计算模型为基础,通过引入匹配推力系数参数,建立了螺旋桨进距比与螺旋桨效率之间的关系,并采用螺旋桨效率和发动机耗油率的比值寻优的方法,获得最优桨发匹配转速。以此寻优方法,针对飞行过程中飞机不断降低的重量,计算不同的最优桨发匹配转速,作为巡航剖面桨发匹配选速依据,并进行了性能计算分析。计算结果表明,飞机巡航阶段采用桨发匹配最优选速飞行,相比于恒转速飞行,可以显著地提升巡航性能。

螺旋桨滑流对涡轮螺旋桨进气道气动性能影响仿真研究

基于计算流体动力学方法,对螺旋桨滑流对涡轮螺旋桨飞机发动机进气道性能的影响进行仿真分析。使用多重参考系方法模拟螺旋桨滑流效应,分别在设计状态点和非设计状态点下分析了有、无滑流对进气道主流道性能的影响。结果显示:设计状态点有滑流状态与无滑流状态相比,总压恢复系数和总压畸变指数均有增大,地面状态下总压恢复系数增大了约3%,总压畸变指数增大0.0823~0.0980;高空状态下总压恢复系数增大了约2%,总压畸变指数增大0.0737~0.1048。非设计状态点随来流马赫数的增大,总压恢复系数和总压畸变指数逐渐减小。

船用复合材料螺旋桨稳态流固耦合尺度效应数值研究

为实现实尺度复合材料螺旋桨的流固耦合性能预报,针对船用复合材料螺旋桨在均匀流场中稳态流固耦合的尺度效应问题,本文基于Ansys Workbench建立了双向流固耦合算法,采用ACP模块对3种尺度的4381复合材料螺旋桨进行30°角铺层建模,分析了流固耦合下结构变形与敞水性能变化的尺度效应规律。研究结果表明:粘性力相对占比是刚性桨敞水性能尺度效应的主要因素;流固耦合最大变形比和螺距变形比均与缩尺比呈线性关系,因流体的附加刚度作用,最大变形比需在悬臂板挠度公式基础上作3%的修正;流固耦合后敞水性能的改变量与缩尺比呈线性关系,其尺度效应需在刚性桨敞水性能尺度效应关系上进一步作5%~7%的修正,修正量与复材桨压力中心区和桨叶的厚度均有一定关系。考虑流固耦合的复材桨尺度效应修正为不同尺度复材桨的数值计算和性能预报提供了有效参考。

现代航空螺旋桨气动、噪声与优化设计的研究进展

随着化石能源的日益枯竭和人们对环境污染问题的日益关注,相对于喷气式推进装置,高推进效率、低燃油消耗的螺旋桨推进装置受到越来越多的重视,迎来了新的发展机遇。然而,提高推进效率和解决噪声污染问题一直是螺旋桨飞机发展的巨大挑战。本文以航空螺旋桨为研究对象,就其运行中的空气动力学和气动噪声问题进行探讨。文章首先概述了螺旋桨研究的历史及发展;然后从理论分析、数值计算、风洞试验三类研究手段着手,对螺旋桨常用翼型、总体气动特性等关键空气动力学问题的研究现状及取得的关键进展进行了综述和讨论;随后介绍了国内外在螺旋桨飞机气动噪声领域所取得的研究进展,主要包括螺旋桨噪声的产生机理、降噪主要方法、噪声预测方法等;最后对航空螺旋桨气动、噪声与优化设计的未来研究提出了一些展望。

小型巡飞弹螺旋桨气动优化设计

小型巡飞弹螺旋桨桨叶尺寸较小,桨毂占比较大,螺旋桨性能易受桨毂影响。小型巡飞弹实际飞行螺旋桨转速偏高,航时不够,且螺旋桨风洞试验测试结果、设计计算结果以及实际飞行数据差异较大。针对计算结果不吻合的问题,开展了试验构型的数值模拟,结果表明桨毂产生较大的负拉力和扭矩,是造成螺旋桨效率下降、转速上升的主要原因。根据计算结果,本文给出了巡航工况下桨毂拉力及扭矩的修正公式及螺旋桨优化设计思路。针对试验数据不吻合的问题,设计了巡飞弹推进系统风洞试验,成功解决了来流干扰,获得了准确的测试结果。为了提升螺旋桨效率,根据螺旋桨涡流理论推导了螺旋桨计算模型,以巡航工况效率为优化目标,爬升工况推力及反扭矩为约束条件,利用遗传算法工具箱开展了螺旋桨气动外形优化设计,并通过推进系统风洞试验进行了验证。试验结果表明优化设计有效,巡飞工况下螺旋桨效率提升了17.2%。

不同航速下螺旋桨对船舶操纵水动力的影响研究

通过数学模型进行船舶操纵性预报是常用的方法,以往的约束模试验通常仅在设计航速下进行,且MMG船舶操纵运动模型通常认为螺旋桨对船舶操纵水动力的影响可以忽略。但船舶在实际操纵运动的过程中航速会发生很大变化,螺旋桨对船舶操纵水动力的影响可能变得不可忽略,因此有必要开展相关船舶操纵水动力的研究。以KVLCC2为研究对象,对其裸船体、船-舵、船-桨和船-桨-舵系统分别进行不同航速下的约束模试验数值模拟,研究了不同航速下螺旋桨对船舶操纵水动力的影响。研究结果表明:螺旋桨对船舶操纵水动力的影响不可忽略,该影响随着船舶航速的减小而增大,但舵的存在会减弱其影响;螺旋桨对舵效有着较大影响,该影响随着船舶航速的减小也会明显增大。因此在进行船舶操纵性研究时,有必要进行非设计航速下的相关约束模试验。

非均匀来流下螺旋桨空泡脉动压力特性研究

针对某船用大侧斜螺旋桨(HSP),采用多场同步测量系统,在空泡水筒内开展螺旋桨空泡演化及其脉动压力特性试验研究,探究进速系数和空化数对螺旋桨空泡脉动压力特性的影响。试验结果表明:螺旋桨出现的空泡类型包括叶背空泡、叶面空泡和梢涡空泡,低频脉动压力与空泡体积振荡相关。在无空泡情况下,对比各阶叶频分量对脉动压力的影响,一阶叶频为主要分量,可忽略高阶叶频分量的幅值;空泡产生后,非定常空泡演化对螺旋桨脉动压力性能影响较大,脉动压力出现明显高阶叶频分量,同时主频脉动压力幅值显著增加,空泡发展过程越剧烈,变化越显著;当出现不稳定的梢涡空泡时,脉动压力高阶叶频分量明显增大。

环形螺旋桨几何形状的数学表达方法

[目的]环形螺旋桨因其独特的外形,可有效减少梢涡泄出,有利于降低水动力噪声,提高推进效率,但同时也因其复杂的外形,难以采用常规螺旋桨的数学表达方法来对其几何外形进行建模,因此,需研究新型环形螺旋桨几何形状的数学表达。[方法]首先,详细介绍环形螺旋桨的结构特点和优势;然后,在参考常规螺旋桨几何形状数学表达的基础上,引入轴距、外侧角、侧倾角和竖直角等几何参数,以几何型值参数沿轴距方向分布的方式,详细推导环形螺旋桨的三维坐标数学公式,从而建立环形螺旋桨的数学表达方法;最后,以某一环形螺旋桨的型值为例,验证所提环形螺旋桨数学表达方法的可行性。[结果]结果显示,采用所提方法能够光顺地建立环形螺旋桨的几何外形。[结论]所提方法可用于快速进行环形螺旋桨的三维建模,能为进一步研究环形螺旋桨的物理特性和科学问题奠定坚实的基础。

涡流恢复导叶对螺旋桨气动和声学性能影响研究

为了对比安装涡流恢复导叶与单排螺旋桨气动性能和气动噪声的差异,采用数值模拟的方法研究了安装六种不同间距涡流恢复导叶和单排螺旋桨的气动力及气动噪声。研究结果表明:在起飞状态,级间距Δx=0.27的工况下,安装涡流恢复导叶使得推力系数增加6.4%,效率增加6.7%。随着间距的增大,前级叶片的桨尖涡、尾迹涡等涡系结构在通过后级叶片时破碎并向下游传播,且强度逐渐减小。噪声强度随着级间距的增加而逐渐减小,最大级间距涡流恢复导叶的噪声与最小级间距涡流恢复导叶噪声相比降低5.7 dB,噪声下降幅度随级间距的增加逐渐减缓,存在级间距最优位置使得推力增加最大,噪声强度适中。

基于经验知识的船舶螺旋桨水动力样本扩充方法及其在预报代理模型中的应用

近几年来,越来越多学者致力于采用机器学习进行船舶螺旋桨性能预报,但代理模型的预报效果往往受训练样本的数量和质量影响较大。目前船舶螺旋桨性能数据数量少且质量也不高,即数据对应参数分布较为集中,严重不均匀,这些问题都会影响代理模型预报的准确率与可靠性。为了解决这一实际困难,本文提出一种基于经验知识的样本扩充方法,并以船舶螺旋桨水动力性能的代理模型预报为例进行应用验证。结果表明:本文使用的样本扩充方法可以快速生成数据样本,可以一定程度上改善预报代理模型的可靠性,提升预报精度。

基于凹槽结构的导管螺旋桨梢部流动研究

针对导管螺旋桨的梢部流动,受压气机中“机匣处理”的启发,将矩形凹槽结构应用于导管内壁,用于降低导管螺旋桨梢涡强度和抑制梢涡空化,进而有望改善导管螺旋桨的水动力和空泡性能。采用计算流体力学方法,针对19A导管和Ka4-70螺旋桨有无凹槽/不同凹槽结构进行非定常数值计算,研究凹槽结构对桨叶叶梢压力、梢涡强度、梢涡结构以及水动力性能的影响。结果表明:凹槽结构会明显改变导管螺旋桨梢部流场涡的形成,减弱梢涡强度,提高叶片梢部最小压力,并且对推进性能几乎没有影响。研究结果可为导管螺旋桨的梢涡控制以及减振降噪提供一种新的解决途径。

考虑偏航入流的螺旋桨气动特性及滑流分析

采用数值仿真的方法,对四叶螺旋桨在飞行中遭遇非轴向的偏航入流而产生的复杂非定常气动力问题和滑流现象进行了研究。结合非定常雷诺平均Navier-Stokes方程和滑移网格方法,以偏航角、来流迎角和入流速度为变量,得到不同工况下螺旋桨非定常拉力、力矩、推进效率等特性和滑流流场分布情况。结果表明:保持迎角和来流速度一定,当偏航角从15°增加到25°时螺旋桨拉力和推进效率分别提升了16.20%和6.76%,一定范围内螺旋桨气动特性与偏航角的变化具有正相关性,偏航入流导致桨后滑流流场分布和桨尖涡产生一定程度的偏转,螺旋桨尾迹缩短,滑流区风速得到恢复。螺旋桨非定常气动特性系数随迎角的增大而增大,偏航入流耦合小迎角与大迎角、无偏航计算结果基本相等。螺旋桨4个桨尖涡强度大小不相等,表现出不对称性;偏航入流对螺旋桨的气动性能起到明显的提升影响。