螺旋桨短舱气动干扰非定常数值模拟研究课件.ppt

1、主要内容主要内容一、研究背景一、研究背景二、数值模拟方法二、数值模拟方法三、非定常数值模拟三、非定常数值模拟四、准定常数值模拟四、准定常数值模拟五、无人机数值模拟五、无人机数值模拟一一.研究背景研究背景难点相对运动计算量大非定常性滑流现象非常复杂难难点点某型垂直起降无人机某型垂直起降无人机一一.研究背景研究背景二二.数值模拟方法数值模拟方法等效盘方法等效盘方法MRF方法非定常非定常准定常准定常重叠网格方法1.1.能够模拟大幅度运动能够模拟大幅度运动2.2.降低生成网格的难度降低生成网格的难度3.3.模拟螺旋桨滑流非定常现象模拟螺旋桨滑流非定常现象优点：1.1.能够模拟螺旋桨滑流的影响能够模拟螺

2、旋桨滑流的影响2.2.时间：相对非定常方法用时较少时间：相对非定常方法用时较少优点：1.1.能够模拟螺旋桨滑流的影响能够模拟螺旋桨滑流的影响2.2.时间：相对非定常方法用时较少时间：相对非定常方法用时较少优点：1.采用非结构有限体积法求解采用非结构有限体积法求解N-S方程方程2.空间格式：二阶中心格式空间格式：二阶中心格式+矩阵耗散矩阵耗散3.时间格式：双时间推进时间格式：双时间推进+LU-SGS格式格式4.湍流模型：基于湍流模型：基于SA模型的模型的IDDES模拟方法模拟方法5.动网格技术：非结构动网格技术：非结构重叠网格技术重叠网格技术6.其他：其他：网格自适应技术网格自适应技术CFDCF

3、D方法与设置方法与设置二二.数值模拟方法数值模拟方法Complex Flows and Turbulence Modeling二二.数值模拟方法数值模拟方法DNS:All scales of turbulence are resolved.Therefore,smallest grid size is of the order of the Kolmogorov scale L/(Re)3/4LES:Only the“Large”turbulent scales are resolved.The“smaller”scales are modeledRANS:All the turbulent

4、scales are modeled(RANS/URANS)In DNS,you just solve the Navier-Stokes Equations In LES,you solve a filtered version of the Navier-Stokes Equations along with another equation to represent the turbulent small scales In RANS,you solve the averaged version of the Navier-Stokes equation along with anoth

5、er equation to represent all the turbulent scalesComplex Flows and Turbulence Modeling二二.数值模拟方法数值模拟方法Advantages:combination of the best features of both modelssimple implementationtime accurate resultsDisadvantages:switching between models is grid dependenttime-and memory consuming simulationsAdditi

6、onal low-Reynolds number corrections to improve the LES part of the model are possible(see Shur and Strelets)Principles of Detached Eddy Simulation二二.数值模拟方法数值模拟方法Complex Flows and Turbulence Modeling二二.数值模拟方法数值模拟方法 寻点寻点 插值插值关键技术：关键技术：注：红色网格为背景网格，绿色网格为运动网格，两个区域网格之间有重叠。注：红色网格为背景网格，绿色网格为运动网格，两个区域网格之间有重

7、叠。重叠网格技术重叠网格技术 挖洞挖洞三三.非定常数值模拟非定常数值模拟螺旋桨直径螺旋桨直径：0.3417m短舱长度约短舱长度约：0.863m1.1.计算模型计算模型三三.非定常数值模拟非定常数值模拟2.2.计算网格计算网格重叠网格技术重叠网格技术三三.非定常数值模拟非定常数值模拟XZ截面网格图截面网格图XZ截面涡量分布云图截面涡量分布云图未采用未采用网格自适应网格自适应采用采用网格自适应网格自适应网格自适应技术网格自适应技术2.2.计算网格计算网格三三.非定常数值模拟非定常数值模拟来流条件来流速度30m/s温度287.909K雷诺数2056170螺旋桨转速6560rmp等桨盘倾角0时间步长2

8、.54065e-5s表表1 计算条件计算条件3.3.计算条件计算条件三三.非定常数值模拟非定常数值模拟a.螺旋桨后气流明显加速，螺旋桨后气流明显加速，流管收缩流管收缩b.流线发生明显偏转流线发生明显偏转c.与螺旋桨滑流理论现象一致与螺旋桨滑流理论现象一致流线分析流线分析4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟涡量分析涡量分析4.4.结果分析结果分析浆尖涡浆尖涡浆毂涡浆毂涡三三.非定常数值模拟非定常数值模拟沿沿x轴正向轴正向yz截面马赫数分布截面马赫数分布单独螺旋桨单独螺旋桨沿沿x轴正向轴正向yz截面涡量分布截面涡量分布4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟

9、沿沿x轴正向轴正向yz截面马赫数分布截面马赫数分布带吊舱螺旋桨带吊舱螺旋桨沿沿x轴正向轴正向yz截面涡量分布截面涡量分布4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟转速转速(rpm)计算值计算值实验值实验值误差误差49920.14040.13414.7%54400.17890.17542.0%61920.25700.24594.5%63680.27320.26632.6%65600.29780.28763.5%表2 螺旋桨拉力系数对比4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟表表 3 单独螺旋桨和带短舱螺旋桨的拉力系数对比单独螺旋桨和带短舱螺旋桨的拉力系数对比桨叶

10、不同截面处翼型的表面压力系数桨叶不同截面处翼型的表面压力系数Cp分布分布0.9rR0.5rR0.3rR转速转速(rpm)单独螺旋桨单独螺旋桨带吊舱带吊舱增加增加 65600.27930.29786.6%4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟x/Rz/Ru/(m/s)v/(m/s)/()A1-4.5710.936 34.94-11.6719.6A2-4.5830.942 36.43-12.1020.3B1-3.4830.878 35.47-12.1721.3B2-3.4830.907 36.87-11.6521.2C1-2.4700.925 39.34-10.1121.8C2

11、-2.4520.966 40.65-9.4221.4D1-1.2170.767 39.88-12.9327.4D2-1.1470.784 43.89-12.2928.8E1-0.6440.825 47.62-10.6928.9E2-0.6790.913 46.47-9.1925.4表表4 有有/无短舱螺旋桨桨尖涡结构参数对照表无短舱螺旋桨桨尖涡结构参数对照表4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟涡量分析1.1.黑点线、黑线分别表示黑点线、黑线分别表示t=0Tt=0T时刻的时刻的桨毂涡、桨尖涡轨迹桨毂涡、桨尖涡轨迹；2.2.桨尖涡、桨毂涡的轨迹分别与黑线、黑点线重合，说明桨尖

12、涡、桨毂涡的轨迹分别与黑线、黑点线重合，说明桨尖涡、桨桨尖涡、桨毂涡的失稳发展具有周期性。毂涡的失稳发展具有周期性。0tT12tT56tTtT4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟1.1.桨尖涡失稳，出现了桨尖涡失稳，出现了配对融合配对融合现象（现象（首次模拟得到首次模拟得到）；）；2.2.单独螺旋桨和带短舱螺旋桨桨尖涡的单独螺旋桨和带短舱螺旋桨桨尖涡的失稳位置失稳位置相同相同；3.3.单独螺旋桨和带短舱单独螺旋桨和带短舱螺旋桨螺旋桨桨尖桨尖涡失稳后涡失稳后配对融合位置配对融合位置几乎相同几乎相同。相同时刻螺旋桨尾涡等值面分布（相同时刻螺旋桨尾涡等值面分布（Q Q准则）准则

13、）涡量分析4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟 1.1.蓝色方点线和红色方点线分蓝色方点线和红色方点线分别表示别表示单独螺旋桨单独螺旋桨桨尖涡在该时桨尖涡在该时刻的包络线；刻的包络线；2.2.带短舱螺旋桨和单独螺旋桨带短舱螺旋桨和单独螺旋桨浆尖涡失稳后的发展过程是相同浆尖涡失稳后的发展过程是相同的，的，同样具有周期性；同样具有周期性；3.3.浆毂涡在短舱表面形成浆毂涡在短舱表面形成螺旋螺旋状结构状结构；短舱收缩处形成；短舱收缩处形成K-HK-H不稳不稳定涡环定涡环并逐步形成短舱尾迹；并逐步形成短舱尾迹；4.4.浆毂涡形式变化有利于浆毂涡形式变化有利于增大增大螺旋桨拉力螺旋

14、桨拉力。12tT56tT浆毂涡浆毂涡K-H Instability涡量分析4.4.结果分析结果分析二二.数值模拟方法数值模拟方法等效盘方法等效盘方法MRF方法非定常准定常重叠网格方法1.1.能够模拟大幅度运动能够模拟大幅度运动2.2.降低生成网格的难度降低生成网格的难度3.3.模拟螺旋桨滑流非定模拟螺旋桨滑流非定常现象常现象优点：1.1.能够模拟螺旋桨滑流的影响能够模拟螺旋桨滑流的影响2.2.时间：相对非定常方法用时较少时间：相对非定常方法用时较少优点：1.1.能够模拟螺旋桨滑流的影响能够模拟螺旋桨滑流的影响2.2.时间：相对非定常方法用时较少时间：相对非定常方法用时较少优点：四四.准定常数值

15、模拟准定常数值模拟 MRF:Multi-Reference Frame 多重参考系法多重参考系法:分为运动区域网格和分为运动区域网格和静止区域网格，静止区域网格，但两块网格之间无但两块网格之间无重叠部分重叠部分。1.MRF1.MRF方法方法四四.准定常数值模拟准定常数值模拟螺旋桨等效盘源项的计算C+编程2.2.等效盘方法等效盘方法四四.准定常数值模拟准定常数值模拟等效盘方法等效盘方法MRF方法方法流线图流线图3.3.流线图分布流线图分布四四.准定常数值模拟准定常数值模拟速度分布速度分布静压分布静压分布4.4.准定常计算结果准定常计算结果四四.准定常数值模拟准定常数值模拟转速转速(rpm)MRF

16、误差误差等效盘误差等效盘误差非定常非定常误差误差49924.77%5.88%4.7%54407.25%6.67%2.0%61927.11%9.52%4.5%63688.31%7.35%2.6%65608.84%6.85%3.5%表5 计算拉力与实验拉力值对比6.6.拉力数据对比拉力数据对比五五.无人机数值模拟无人机数值模拟舵面无偏转（半模）舵面无偏转（半模）1.1.计算模型计算模型五五.无人机数值模拟无人机数值模拟偏转正偏转正10偏转负偏转负101.1.计算模型计算模型五五.无人机数值模拟无人机数值模拟来流：10m/s转速：1500rpm离地距离：0.25机高(0.45m)舵面偏角：-30，-

17、20 ，-10 ，-5，0,5,10,20,30 2.2.来流条件来流条件五五.无人机数值模拟无人机数值模拟3.3.计算网格计算网格五五.无人机数值模拟无人机数值模拟MRF方法计算网格图方法计算网格图3.3.计算网格计算网格五五.无人机数值模拟无人机数值模拟表明压力分布（无舵偏）表明压力分布（无舵偏）4.4.计算结果计算结果五五.无人机数值模拟无人机数值模拟表明压力分布（正舵偏表明压力分布（正舵偏10）4.4.计算结果计算结果五五.无人机数值模拟无人机数值模拟表明压力分布（负舵偏表明压力分布（负舵偏10）4.4.计算结果计算结果五五.无人机数值模拟无人机数值模拟攻角攻角FxFyFzMxMyMz

18、3030568.3568.374.974.9-90.0-90.0153.0153.0-89.1-89.1645.6645.62020611.8611.871.871.8-79.3-79.3142.1142.1-74.9-74.9706.2706.21010569.7569.747.347.3-24.5-24.583.783.7-7.60-7.60663.1663.10 0572.6572.649.749.70.810.8152.952.923.923.9667.8667.8-5-5573.1573.152.052.0-6.5-6.562.462.416.116.1665.7665.7-10-1

19、0569.8569.849.949.9-22.1-22.181.081.0-2.8-2.8661.8661.8-30-30564.0564.048.948.9-41.2-41.279.379.3-20.1-20.1662.5662.5表表6 基于机体坐标系的结果基于机体坐标系的结果4.4.计算结果计算结果五五.无人机数值模拟无人机数值模拟舵面无偏转舵面无偏转舵面偏转正舵面偏转正10地效的影响地效的影响4.4.计算结果计算结果六六.结论结论(1)结合非结构重叠网格技术的结合非结构重叠网格技术的IDDES方法能够很好地捕捉螺旋桨的尾涡结方法能够很好地捕捉螺旋桨的尾涡结构，构，螺旋桨拉力系数的计算值

20、和实验值吻合良好螺旋桨拉力系数的计算值和实验值吻合良好。(2)短舱的存在增大了螺旋桨的拉力系数；短舱对桨毂涡的结构影响较大，短舱的存在增大了螺旋桨的拉力系数；短舱对桨毂涡的结构影响较大，但对桨尖涡的螺旋结构影响较小。但对桨尖涡的螺旋结构影响较小。在相同桨尖涡的涡核位置，有在相同桨尖涡的涡核位置，有/无短舱无短舱螺旋桨桨尖涡的螺距角相同螺旋桨桨尖涡的螺距角相同。(3)有有/无短舱螺旋桨桨尖涡的失稳位置相同，失稳后桨尖涡之间配对融合过无短舱螺旋桨桨尖涡的失稳位置相同，失稳后桨尖涡之间配对融合过程一致，桨尖涡的包络线重合。这说明程一致，桨尖涡的包络线重合。这说明螺旋桨桨毂涡的失稳特性对桨尖涡螺旋桨桨

21、毂涡的失稳特性对桨尖涡的失稳没有影响。的失稳没有影响。(4)桨尖涡的失稳发展过程具有周期性，桨尖涡的失稳发展过程具有周期性，短舱不改变桨尖涡失稳发展的短舱不改变桨尖涡失稳发展的周期性周期性；和单独螺旋桨相比，短舱结构有利于增大螺旋桨拉力。；和单独螺旋桨相比，短舱结构有利于增大螺旋桨拉力。42Q&A43厦门大学航空航天学院介绍四、科学研究四、科学研究(飞行器及动力技术）1.1.超燃冲压发动机设计超燃冲压发动机设计2.2.先进战斗机布局设计先进战斗机布局设计3.3.空天飞行器飞空天飞行器飞/推一体化推一体化4.4.计算流体力学方法研究计算流体力学方法研究航空航天器复杂流动模拟航空航天器复杂流动模拟

22、战斗机无隔道进气道设计战斗机无隔道进气道设计国家重大专项国家重大专项国家重大科技工程国家重大科技工程44厦门大学航空航天学院介绍四、科学研究四、科学研究(飞行器及动力技术）厦门大学航空航天学院走访调研 2015.12 在超燃冲压发动机设计方面，发展了一种新型三维内收缩高超声速进气道，提出了其设计方法，并采用CFD手段和高焓风洞试验方法研究了典型三维内乘波式进气道流动特征和工作特性。序号项目名称项目来源1三维内收缩进气道与燃烧室的一体化设计中航工业产学研创新基金2双模态冲压发动机模态转换过程可控燃烧机制研究国家自然科学基金项目3内转式进气道设计方法研究国家重大专项子课题4冲压发动机畸变容限数值仿

23、真及进口流场品质改善技术国家重大专项子课题三维内乘波式高超声速进气道三维内乘波式高超声速进气道三维内收缩进气道高焓风洞实验三维内收缩进气道高焓风洞实验45厦门大学航空航天学院介绍四、科学研究四、科学研究(飞行器及动力技术）厦门大学航空航天学院走访调研 2015.12 在先进战斗机布局方面，发展了基于“密切乘波”概念的无隔道进气道设计方法，并成功应用于国产多款先进战机，提高进气道性能，拓展飞行边界。序号项目名称项目来源1飞行器非定常流动高精度数值计算国防基础科研项目2飞行器布局设计研究沈阳飞机设计研究所3飞机气动力仿真分析参数化建模技术研究沈阳飞机设计研究所4进气道设计与研究国防科学技术大学国防

24、科技进步三等奖国防科技进步三等奖沈阳飞机设计研究所歼沈阳飞机设计研究所歼3131战斗机战斗机46厦门大学航空航天学院介绍四、科学研究四、科学研究(飞行器及动力技术）厦门大学航空航天学院走访调研 2015.12 在空天飞行器飞/推一体化方面，发展了外流乘波理论，将它推广到内、外混合流动，并最终发展出一类被称为“双乘波”的高超声速内、外流一体化气动设计概念。序号项目名称项目来源1空天飞行器若干关键气动问题数值模拟研究中航工业产学研创新基金2利用进气道出流涡特征提升燃烧室喷射和掺混特性研究国家自然科学基金项目3联系高超声速内外流的双乘波气动原理概念研究国家自然科学基金项目4高Ma数气动力热高精度数值

25、仿真方法与布局分析设计沈阳飞机设计研究所“双乘波双乘波”一体化气动设计概念一体化气动设计概念“双乘波双乘波”一体化气动设计概念一体化气动设计概念47厦门大学航空航天学院介绍四、科学研究四、科学研究(飞行器及动力技术）厦门大学航空航天学院走访调研 2015.12 在计算流体力学方法研究方面，开发德国航空航天中心CFD计算程序DES方法，并揭示了欧洲Ariane 5号火箭底部流动、Hyshot II高超声速飞行器燃烧室内部复杂流动与物理机制。序号项目名称项目来源1飞机非定常气动力学与控制技术研究中航工业产学研创新基金2基于火焰面模型的大涡模拟方法研究中国空气动力研究与发展中心3临界空间高Ma数分离

26、技术研究沈阳飞机设计研究所4涡轮叶片气膜孔超快激光精确加工设备研制与产业化福建省科技重大项目Ariane 5Ariane 5号火箭底部流动号火箭底部流动Hyshot IIHyshot II高超声速飞行器燃烧室高超声速飞行器燃烧室五五.无人机数值模拟无人机数值模拟FX、Fy、FZ、MX、My、MZ分别表示轴向力（拉力）、侧向力、分别表示轴向力（拉力）、侧向力、法向力（升力）；以及滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩。法向力（升力）；以及滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩。重点分析重点分析My可以看出：可以看出：1.随着攻角从随着攻角从0增加，俯仰力矩系数增加，俯仰力矩系数 CM逐渐减小，逐渐减小，满足偏正舵产生满足偏正舵产生负力矩的操纵规律；负力矩的操纵规律；2.随着攻角从随着攻角从0减小，减小，俯仰力矩系数俯仰力矩系数CM也逐渐减小，也逐渐减小，体现体现出舵面偏负舵的操纵效率不高，这与设计所反馈的信息是一致的。出舵面偏负舵的操纵效率不高，这与设计所反馈的信息是一致的。4.4.计算结果计算结果