模型自由飞试验中的螺旋桨动力模拟方法研究

开展螺旋桨飞机模型自由飞失速试验需要准确地模拟螺旋桨动力状态。通过对模型自由飞失速试验动力相似准则和螺旋桨动力模拟相似准则的分析,推导出螺旋桨飞机模型自由飞失速试验中所需要遵循的相似准则关系;以此开展某四发螺旋桨飞机模型自由飞试验,通过控制螺旋桨转速、设计桨叶角,满足拉力系数和前进比相等,模拟全尺寸飞机螺旋桨动力特性,获得的失速特性与飞机风洞实验结果一致。结果表明:该方法能够准确模拟飞机失速过程的螺旋桨动力状态,可为飞机失速试飞提供重要的数据支撑,并为国内后续螺旋桨类飞机模型自由飞试验失速试飞研究提供理论和试验方法。

斜流中船后螺旋桨水动力载荷实尺度计算分析

斜流条件下螺旋桨可能受到较大的侧向载荷,会严重影响船舶推进效率和尾轴的安全。本文采用RANS(Reynolds-Averaged Navier Stokes)方法,结合SST k-ω两方程湍流模型和滑动网格方法,对国际标模KCS斜流中船后螺旋桨水动力载荷进行实尺度数值计算,分析不同漂角时螺旋桨在纵向、横向、垂向3个方向上的力和力矩的变化规律。计算考虑±20°,±15°,±10°,±5°以及0°漂角,结果表明斜流对螺旋桨推进载荷和侧向载荷都有较大影响,且相对漂角具有不对称特点。通过单独桨叶的推力变化曲线分析漂角对不同相位角度处螺旋桨载荷的影响规律,结果显示在桨盘面下端附近桨叶载荷更为敏感于漂角变化。通过与其他文献数据对比,分析斜流下螺旋桨载荷的尺度效应,结果表明轴向载荷和垂向载荷系数的尺度效应较大。

基于流固耦合的AUV伴流对螺旋桨性能影响

自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)螺旋桨的运转通常是在非均匀流场中,其中以AUV航行时产生的尾部伴流为主。为了分析尾部伴流对螺旋桨水动力及噪声的影响,首先利用P 4 119螺旋桨验证双向流固耦合数值模拟的可行性、准确性,其次建立AUV与B型图谱桨耦合模型,对比2种工况下螺旋桨动力性能与无空化噪声分布情况。结果表明,在AUV尾部不均匀的来流影响下,螺旋桨所需提供的推力和转矩有所提高,此增幅在最高时分别可以达到83.77%和50.50%;相较于1倍叶频时伴流对螺旋桨噪声的微弱影响,2倍和3倍叶频时螺旋桨噪声在各个监测点的声压级相较均匀来流衰减了20~50 dB,并且导致2倍叶频时螺旋桨噪声的分布呈现无规则形。

考虑伴流场中螺旋桨水动力的舰船长轴系校中及优化

[目的]针对计入螺旋桨水动力的舰船轴系校中计算,传统方法通常容易忽略船体伴流场的影响,使得螺旋桨水动力计算的结果与真实值之间存在较大偏差,从而导致轴系校中精度下降。[方法]以某舰船长轴系为对象,建立桨-轴-船一体化有限元模型及其伴流场流域模型,利用CFD数值仿真的叠模方法计算螺旋桨水动力;采用流固耦合法将流体计算结果作用于螺旋桨表面,进行轴系校中计算,并得到螺旋桨水动力对轴系整体挠曲线及各轴承状态参数的影响规律。在此基础上,引入多目标优化算法开展轴系多目标优化校中,来解决轴系末端四套轴承间载荷差值过大的问题。[结果]考虑螺旋桨水动力后,轴系尾部挠度变化减小,越靠近螺旋桨处的轴承其载荷所受影响越大,载荷值随进速系数的增大而减小;对比多目标优化前后的轴系校中状态,轴系各轴承之间的载荷差值明显减小,轴系运行状态得到改善。[结论]所提方法提高了计入螺旋桨水动力的轴系校中计算精度,可为轴系校中质量的提升提供参考。

基于GA-BP神经网络的螺旋桨水动力性能预报方法

为了快速预报螺旋桨水动力性能,提出一种遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)的螺旋桨水动力性能快速预测方法。采用计算流体力学(CFD)方法,使用FLUENT软件对P4119螺旋桨水动力性能进行仿真计算,结果表明CFD方法可替代敞水试验获取螺旋桨水动力性能。采用CFD方法计算100组不同系列螺旋桨的水动力性能,建立GA-BP神经网络螺旋桨水动力性能预测模型,以计算所得的100组数据为模型的学习样本,选择其中的80%为训练集,10%为验证集,10%为测试集,对比分析传统BP神经网络和GA-BP神经网络模型的预测效果。结果表明,GA-BP神经网络预测结果预测精度更高,能够满足快速预测螺旋桨水动力性能的要求。

四发螺旋桨动力自由飞模型动力学特性分析

采用自由飞模型研究螺旋桨动力飞机失速特性时,为了模拟螺旋桨动力,必须采用带动力模型,而螺旋桨动态特性会影响自由飞模型的动力学特性。为了提高自由飞模型试验效率,研究了自由飞模型飞行品质以及螺旋桨动态特性对飞行品质的影响,采用静态气动数据,初步预测了模型的大迎角偏离特性。研究结果表明,自由飞模型螺旋模态不稳定,试验中必须设计相应的增稳控制律,螺旋桨拉力动态显著增加了自由飞模型的速度稳定性;迎角大于10°之后,横航向力矩系数非线性明显,12~14°可能出现操纵偏离。

船后桨的布局对螺旋桨水动力性能的影响

为了研究大型水面船舶船桨干扰作用对螺旋桨的水动力性能的影响,探讨船后螺旋桨的布置设计原则,以某大型四桨水面船舶为研究对象,基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法,建立了船桨整体计算模型,重点研究了螺旋桨的相对纵向和横向布置位置的变化对螺旋桨水动力性能的影响.数值计算结果表明:对于四桨船舶,船后螺旋桨的水动力性能对螺旋桨的纵向位置移动不是很敏感,而对螺旋桨横向位置移动则比较敏感,应当尽量避免使同侧两螺旋桨的盘面中心横向距离小于1倍螺旋桨直径.

螺旋桨激励下船舶推进轴系振动试验及数值分析

针对船舶航行过程中,螺旋桨激振力产生船舶尾部的扰动源,对尾轴承的振动磨损影响较大,开展激励力下尾轴承振动试验不可或缺。采用有限元方向建立船桨舵一体化模型,仿真计算自航过程中螺旋桨水动力特性,建立螺旋桨水动力特殊相似关系及换算方式,进行模拟螺旋桨水动力作用下尾轴承位置振动试验。结果表明,在尾轴承处,相同激振力作用下,随着推进轴系转速的增加,各方向加速度及位移的振动响应变大;施加任意不同激励力,各方向振动加速度级和振动位移都会变大。同一转速下,随着施加载荷的增加,尾轴承处的振动加速度级及振动位移逐渐增加。本文研究得到的螺旋桨水动力对尾轴承影响的一般规律,为推进轴系减振降噪提供一定理论支持。

L-12风洞螺旋桨带动力试验系统

为提升FL-12风洞螺旋桨带动力试验能力,研制一套螺旋桨带动力试验系统。该系统主要用于模拟螺旋桨滑流特性及非对称动力状态下飞机的气动特性。介绍试验装置系统组成和设计,并分析地面调试结果。结果表明:该系统在转速控制精度和系统自动化程度等方面有很大提高,部分技术指标达到国际先进水平。

基于油膜及螺旋桨水动力的轴系校中双向动态优化算法

基于船舶油膜和螺旋桨水动力的轴系校中的双向动态优化模型,提出了交互迭代逼近算法,给出了相应实例,为船舶轴系动态校中提供新的计算思路。

螺旋桨水动力对轴系校中影响的研究

通过对轴系校中以及螺旋桨水动力的计算,探讨了螺旋桨水动力对轴系校中状态的影响,从而为提高轴系校中质量提供理论依据。

计入螺旋桨水动力的轴系校中计算

以某成品油船轴系为研究对象,运用CFD软件FLUENT进行该船的螺旋桨水动力仿真计算,以及采用有限元法进行轴系校中。结果表明,螺旋桨水动力的平均分量对轴承支反力分布有一定改善作用,交变分量对轴承支反力的影响较大,其影响水平与进速系数和螺旋桨桨叶所处角度有关。

单机螺旋桨带动力试验系统研制

为提高风洞单发螺旋桨带动力试验效率,设计搭建单机螺旋桨带动力试验系统。详细阐述系统组成,从主控平台选择、信号接口电路设计、驱动器控制电路和反馈电路4方面介绍系统设计,风洞螺旋桨带动力试验时采用零拉力控制,并进行试验验证。结果表明:该系统控制精度高,电磁兼容性好,自动化程度高,可大幅提升试验效率,试验准备时间由48 h缩短至12 h,并已在多期课题型号试验中得到成功应用。

全附体尾流作用下螺旋桨布局对其水动力性能的影响

为了研究全附体尾流作用下多桨船尾部螺旋桨布局对其水动力性能的影响,本文以某四桨船舶为研究对象,对船体、螺旋桨以及舵、轴支架、轴包套、呆木等附体进行整体建模,通过改变船后螺旋桨的相对位置,采用CFD软件计算得到了在全附体尾流作用下不同的螺旋桨布局对螺旋桨水动力性能方面的影响差异。结果表明,外前桨的纵向移动对于前后桨的效率影响不大;外前桨的横向移动对内后桨的水动力性能影响较大,当前后桨横向距离为1倍螺旋桨直径时,内后桨的推力系数最大增加8.9%,扭矩系数最大增加5.9%,船后效率最大增加2.8%。计算结果对于工程应用具有一定的参考价值。

FL-17风洞螺旋桨带动力控制系统

为建立FL-17风洞螺旋桨带动力试验能力,特研制一套螺旋桨带动力控制系统,该系统用于螺旋桨带动力风洞试验时电机转速的精确控制。本文介绍了控制系统的组成和设计原理,并给出风洞试验考核结果。结果表明,该系统转速控制精度≤±1 r/min,自动化程度高,具有较高的工程应用价值。

风洞螺旋桨试验电机现状及发展方向

针对低速所风洞螺旋桨试验电机现状以及存在的不足,探讨今后风洞螺旋桨试验电机研制的方向。基于国内外伺服电机的发展情况,以低速所FL-12风洞、FL-13风洞为研究对象,通过对电机进行整体参数优化设计,磁场分析、电磁负荷计算等详细分析,得出在电机直径、功率和转速一定的情况下,铁心越长、电机的电磁负荷就越低的结论。分析结果保证了电机的设计指标可以达到预期,并可适当控制电机研制成本。

螺旋桨飞机滑流对全机气动特性影响的试验研究

为准确分析螺旋桨飞机有动力状态下的飞行性能和操纵品质,需要得到螺旋桨动力系统,特别是滑流对全机气动特性的影响量。采用一种"小天平+主天平"的多天平测量技术,可以分别测量得到螺旋桨的直接力和全机的气动力数据,进而得到比较准确的纯滑流对全机气动特性的影响量。通过螺旋桨飞机的带动力测力风洞试验研究表明:滑流会引起全机的升力系数、阻力系数,以及俯仰力矩系数相比无动力状态有所增加,升力系数和阻力系数增量随迎角大致呈二次曲线规律递增,俯仰力矩系数增量变化趋势与飞机所在迎角关系较大。滑流对横航向气动特性影响是降低了全机横向力导数以及横、航向静稳定性,并可能引起零侧滑下的全机的不对称横、航向力矩产生。

全翼布局太阳能无人机滑跑特性分析与控制

以全翼布局太阳能无人机为研究对象,针对其滑跑过程中没有前轮转向伺服和方向舵等进行控制的问题,提出了采用螺旋桨动力差动进行滑跑控制的方法。首先,建立了起落架前轮自由转向和前轮固支2种布局形式的全翼布局太阳能无人机滑跑模型,并对其在不同速度下的滑跑特性进行分析。然后,基于线性自抗扰控制方法设计了以螺旋桨动力差动为控制输出的偏航角控制器。最后,通过改进向量场轨迹跟踪方法,设计了适合起降滑跑的直线轨迹跟踪器。仿真结果表明,所设计的控制器能够对全翼布局太阳能无人机的起降滑跑过程进行有效控制,并具有较好的鲁棒性。

船用柴油机曲轴系统扭纵耦合振动特性研究

在考虑螺旋桨、连杆和活塞引起的交变转动惯量、扭纵耦合效应等因素的情况下,建立了带螺旋桨的6拐曲轴系统非线性动力学模型,其动力学方程代表了一个强非线性、非自治系统。通过数值仿真,分别研究了系统对初始位移和速度、交变转动惯量、作用在活塞上的压力、作用在螺旋桨上的扭矩和轴向力的响应。研究发现,交变转动惯量和扭纵耦合效应是产生非线性振动的根本原因;不同的激励因素不仅可以导致不同的频率响应成分,而且也会导致同一频率成分具有不同的幅值;在本文的研究条件下,施加在螺旋桨上的激励扭矩和轴向力对系统的动力学行为影响不明显;不同方向上响应对同一激励因素的敏感程度存在明显差异。

限制水域内船后螺旋桨梢涡特性研究

为了探究船舶在限制水域中自航时螺旋桨的工作特性,该文基于商业软件STAR-CCM+,通过求解RANS方程对船舶在限制水域航行进行了数值模拟。首先对船-舵一体阻力、螺旋桨敞水性能和船-桨-舵一体自航进行了验证,证明了数值和网格划分方法的可行性;然后考虑不同的水深和船-岸距离,计算并分析了船舶螺旋桨的水动力和梢涡特性。研究表明:随着船-岸距离的减小,螺旋桨推力逐渐增大,而水深对推力的影响比较复杂,在极浅水时,推力随船-岸距离的减小逐渐减小;梢涡分离和融合现象随着水深的减小有提前的趋势,梢涡结构有向船体中纵剖面收缩趋势;梢涡强度随着水深和船-岸距离减小逐渐增大,且舵右侧梢涡涡量强度大于左侧。