共轴对转螺旋桨气动与噪声特性研究进展

共轴对转螺旋桨由于拉力大、气动效率高而备受人们的关注。本文从共轴对转螺旋桨的试验研究、气动性能评估、气动模拟、气动噪声预测、气动噪声优化设计等方面进行了综述。首先,总结了目前国内外在共轴对转螺旋桨气动及噪声方面的试验成果;随后,介绍了共轴对转螺旋桨气动力计算的工程方法,并详细阐述了北京航空航天大学陆士嘉实验室提出的共轴对转螺旋桨气动力评估的片条理论发展与参数选择;然后,介绍了共轴对转螺旋桨数值模拟方法,并针对共轴对转螺旋桨气动噪声预测的频域方法和时域方法进行了论述;最后,介绍了目前共轴对转螺旋桨气动噪声优化设计的研究成果。

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。

贯彻《军用飞机结构完整性大纲》的新螺旋桨设计

由于螺旋桨产生的滑流可以缩短飞机起降距离,因此降低了飞机对于机场跑道的要求。目前,螺旋桨在民用飞机和军用飞机上仍有大量发展和应用。我国飞机螺旋桨自主设计起步较晚,过去我国大型螺旋桨一直采用全金属实心桨叶,“新螺旋桨”是我国首次自行研制高性能复合材料螺旋桨。研制过程中,在气动力设计、结构强度、电调控制等方面遇到了一系列巨大挑战。《军用飞机结构完整性大纲》(GJB 775A—2012)作为飞机结构设计的顶层要求,在螺旋桨结构设计中依然发挥着重要作用,是保证新螺旋桨结构可靠性、经济性和产品寿命的重要手段。设计人员在研制中学习和贯彻《大纲》的要求和实施方法,克服了大量的技术难点和工程问题,最终成功地研制和装机了新螺旋桨。本文从《大纲》的五个任务出发,介绍了新螺旋桨研制中关于各个阶段任务的贯彻和实施,以及在此期间开展的有关理论分析和试验验证,系统地总结了《大纲》在螺旋桨结构设计中的实践和体会。希望文章能为今后同类产品的研制提供借鉴和参考。

基于一种贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动优化设计

为了在可接受时长内获得高空螺旋桨气动方案的最优解,提出一种基于贝叶斯优化框架的高空螺旋桨气动外形优化设计方法。该方法以拉丁超立方抽样获取螺旋桨气动外形参数的初始样本点,建立以该参数为输入、数值模拟获取螺旋桨气动性能为输出的初代高斯过程模型;以遗传算法和三种并行加点准则构成的子优化获取新样本点,求取新样本点的气动性能,并更新样本数据和高斯过程模型。该方法可以使新样本点快速向最优解附近集中,从而提高最优解附近的模型近似精度。为验证模拟方法,加工了某高空螺旋桨进行地面试验。与模拟结果相比,试验推力平均误差2.34%、扭矩平均误差3.33%。以课题组自研的6个低雷诺数翼型为基础,使用该方法对某高空太阳能无人机螺旋桨进行优化设计,优化结果显示:螺旋桨在设计点推力提高9.24%、效率提高8.13%。研究结果表明,该方法对高空螺旋桨优化设计及相关工程应用具有较强的参考价值。

倾转旋翼机涡环状态数值模拟及数学建模

倾转旋翼机垂直下降或斜下降过程中包含极为危险的涡环状态,为掌握涡环状态下其气动载荷、流场变化规律,建立涡环边界数学模型,为相应飞行仿真和飞行试验提供数学模型。采用基于滑移网格技术的CFD方法模拟了倾转旋翼机的涡环状态,研究了倾转旋翼机垂直下降飞行时涡环状态流场、力和力矩的演变规律,提出了倾转旋翼机涡环边界计算方法,并得出了涡环边界解析表达式。结果表明:与直升机涡环状态的主要区别为,倾转旋翼机的机翼降低了单个旋翼涡环状态的影响,但倾转旋翼机旋翼分布的对称性,提高了飞行器滚转力矩失衡的风险;倾转旋翼机垂直下降速率v_(H)/v_(h)为0.9左右时,会进入成熟的涡环状态,旋翼拉力损失最大,为18%;倾转旋翼机垂直下降时的涡环状态对应的下降速率为0.583≤v_(H)/v_(h)≤1.516,风险一方面来源于倾转旋翼机左、右两部分旋翼拉力不对称导致倾覆,一方面来源于倾转旋翼机旋翼拉力损失过大导致坠毁;根据涡环状态危险程度,建立了垂直下降和斜下降状态的涡环边界数学模型。结果可为倾转旋翼机的设计和安全飞行提供下降速度规避依据。

螺旋桨气动参数与飞机综合设计技术

螺旋桨推进具备较高的推进效率和广泛的通用性。由于桨盘面积大、滑流范围广,螺旋桨与载机间的空气动力耦合关系更加紧密,需要将螺旋桨与飞机进行综合设计,迭代获取优化设计方案,从而最大化保证飞机的高性能和经济性。本文首先介绍了飞机总体设计对螺旋桨气动设计参数的影响,以及螺旋桨多目标优化综合设计的手段;然后,简述了螺旋桨布局选型对飞机总体设计的影响,介绍了共轴对转螺旋桨设计和分布式推进螺旋桨设计两种新形态的螺旋桨设计构型;最后,讨论了螺旋桨设计手段的发展,以及CFD方法在螺旋桨-飞机综合设计中的应用。本文可为螺旋桨飞机的相关总体设计和气动优化提供参考。

不同旋翼间距的微型无人机旋翼气动性分析

为研究悬停状态下不同旋翼间距对微型四旋翼无人机旋翼气动性的动态影响,进行数值模拟。运用滑移网格法计算并分析相同转速、不同旋翼间距下的四旋翼升力和扭矩的变化规律,以及旋翼流场和压强分布规律,结果表明:微型四旋翼无人机旋翼间存在气动干扰,合理的旋翼间距有助于提升四旋翼整体气动性能。通过试验和仿真对比发现旋翼间距2.8D(D=76.2 mm)是最佳的微型四旋翼无人机旋翼间距方案。

三型螺旋桨振动特性试验研究

本文基于高频电动振动试验系统,采用谐振搜索与驻留方法,测量出三型螺旋桨的固有频率。结果表明,X1930型螺旋桨的第一阶固有频率为51.81Hz,W80CM8型螺旋桨的第一阶固有频率为51.65Hz,76EM8型螺旋桨的第一阶固有频率为48Hz。某型电动四座飞机螺旋桨的最大工作转频为40Hz,这三型螺旋桨的第一阶固有频率均超过工作转频,可保证螺旋桨在爬升和巡航状态下平稳运行,在工作转速范围内不会发生共振。将试验结果数据与有限元模态分析数据进行对比,表明试验方法合理可靠,获得的三型螺旋桨的固有频率为某型电动四座飞机螺旋桨选型提供了参考。

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。

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。

螺旋桨滑流对飞机气动特性影响的数值分析

提出了一种预测螺旋桨滑流对全机气动特性干扰的数值方法。采用随桨叶旋转的螺旋尾涡系与机体表面定常马蹄涡系之间的干扰为数学模型。计算对应螺桨每一方位角时两涡系对网格控制点的诱导速度及压力系数，由此得到螺桨一个旋转周期的全机气动特性的时均值。算例计算表明，本文方法所获全机升力特性、阻力特性与实验值吻合良好。俯仰力矩在小迎角无襟翼偏转时与实验值也较吻合。该方法对单发或多发螺旋桨飞机均适用。

基于FW-H方程的旋翼气动声学计算研究

由流体力学N S方程导出的非齐次波动方程———FfowcsWilliams Hawkings方程(简称FW H方程),可以精确地描述在静止流体中运动的物体与流体相互作用的发声问题。以FW H方程为理论模型,将旋翼桨叶运动发声问题等效为包含桨叶的任意运动控制面(声源面)的声辐射问题,并在旋翼绕流Euler方程数值模拟的基础上,在时域内计算了悬停旋翼和前飞旋翼的声场。应用于UH 1H和AH 1/OLS两种旋翼模型的气动声学计算表明:计算结果与噪声实验值符合良好;所研制的程序不仅能够较准确地计算单极子噪声和偶极子噪声,而且具有较强的跨音速四极子噪声预测能力。

某型电动飞机螺旋桨的设计与试验

某型电动飞机采用稀土永磁电动机作为动力装置,采用螺旋桨产生拉力。为了提高电动飞机的航时,螺旋桨的设计目标应为:具有较高的效率,足够的拉力,并且保证螺旋桨需用功率与电动机功率相匹配。设计了某型电动飞机的固定桨距螺旋桨,建立了螺旋桨的三维CATIA模型,制造了两叶的木质螺旋桨,进行了螺旋桨的地面试验和风洞试验。试验结果表明:该型螺旋桨在起飞状态(螺旋桨转速2 164 r/min),静态拉力达到98.2 kg,电动机轴功率为35.09 k W,电池输出功率37.08 k W;巡航状态,螺旋桨效率达86.76%,设计的螺旋桨达到了预期的设计目标。

螺旋桨滑流对飞机机翼流场影响试验研究

为了揭示螺旋桨滑流的发展规律和滑流对飞机各部件的干扰机理 ,很有必要精确测量滑流区不同截面的流动参数 ,研究滑流对飞机各部件表面压力的影响。本文介绍了在4m× 3m风洞应用该风洞配备的空间流态测量与显示系统 ,对某运输机螺旋桨滑流流经的空间区域多个截面的流动参数以及滑流对飞机机翼流场的影响进行了测量和研究。研究结果表明 ,螺旋桨滑流对飞机特别是机翼流场有明显影响 ;

某型通用飞机机翼2.5D重构优化设计

为了扩展某型通用飞机机翼优化设计的工程应用范围,在巡航状态下RAE2822-TE翼型优化设计基础上,考虑到翼型本身结构的优化及径向分布,对机翼进行2.5D重构优化设计研究。根据某型通用飞机的低空飞行条件,设计出了集Hicks-Henne参数化、CFD数值计算和NLPQL优化算法为一体的翼型优化方案,将优化后的翼型按照原机翼参数对其进行8个剖面的重构建模。结果表明:优化后的翼型的升力系数和升阻比提升明显,俯仰力矩系数优于原翼型,具备更优异的气动特性;2.5D重构优化的机翼巡航升力系数提升了6.19%,巡航性能提升了2.27%,更好满足通用低速飞机的飞行需求,验证了二维翼型优化转三维机翼2.5D设计方法的合理性和实用性,有效引导工程优化设计思想。

翼型优化在电动飞机螺旋桨重构设计中的研究

为了扩展某型电动飞机螺旋桨优化设计的工程应用范围,在多种工况下RAF-6翼型优化设计的基础上,考虑到翼型本身结构的优化及径向分布,对螺旋桨进行重构优化设计研究。根据某型电动飞机的低空飞行条件,提出了集CST参数化、气动力计算和NLPQL优化算法为一体的快速翼型优化设计方法,优化了RAF-6翼型特殊工况的升阻特性,将优化后的翼型按照原螺旋桨的弦长和桨叶角等数据对螺旋桨进行8个剖面的重构建模,采用K-εRNG湍流模型求解雷诺平均方程的多重参考坐标系模型,与原始螺旋桨气动试验数据加以对比验证。结果表明:优化翼型的升力系数和升阻比提升明显,具备更优异的气动特性;重构优化的改进型螺旋桨最大效率为81.40%,最大拉力提升12.66%,更好满足电动飞机的飞行需求,有效引导工程优化设计思想。

螺旋桨桨叶1P气动载荷研究

介绍了一种１Ｐ 载荷实验研究方法——桨叶应变测试法。首先通过桨叶剖面速度三角形及气动力分析给出了１Ｐ载荷与测量应变的关系， 然后通过地面试验和飞行试验进行了验证。试验结果表明， 螺旋桨１Ｐ 载荷主要由于非对称气流流过桨盘面改变了桨叶剖面速度三角形而引起， 迎角、侧滑角的增加， 会产生较大的１Ｐ载荷； 机动飞行， 如快速拉杆、荷兰滚等也会产生较大的１Ｐ 载荷。

螺旋桨风洞实验气动声学相似准则研究

从气动方程和声学方程两方面共同考虑,结合螺旋桨气动声学风洞实验研究的特点,推导出几何相似螺旋桨风洞实验中应模拟的相似参数。证明了几何相似的低速螺旋桨在临界雷诺数以上时,保证前进比和对应马赫数相等就可以保证声学相似并推导出相似螺旋桨声压级的换算公式。为实际的实验设计和数据处理工作提供了理论依据。

垂直下降状态下的旋翼三维流场数值模拟

应用激励盘模型,采用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法结合动量叶素理论,计算了旋翼在垂直下降时的流场特征与气动性能.计算过程中,旋翼载荷被描绘成沿桨盘径向分布、与当地流动参数相关的压力源项.在直角坐标系中,运用有限体积方法直接求解了定常不可压N-S(Navier-Stokes)方程,湍流模型为S-A(Spalart-Allmaras)一方程模型,重点使用诱导速度经验公式计算出了压力源项.旋翼流场模拟结果和性能预计结果同实验测量数据吻合较好,表明这种CFD方法可以有效地分析旋翼下降飞行时的空气流动特性,为进一步的涡环状态研究提供了参考.

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。