某型三葉螺旋槳的氣動(dòng)特性數(shù)值模擬及試驗(yàn)

項(xiàng) 松，劉遠(yuǎn)強(qiáng)

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

某型三葉螺旋槳的氣動(dòng)特性數(shù)值模擬及試驗(yàn)

項(xiàng) 松，劉遠(yuǎn)強(qiáng)

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

以某型三葉螺旋槳為研究對(duì)象，基于RANS(Reynolds-averaged Naiver-Stokes)方程和SST(Shear Stress Transport)湍流模型的多重參考坐標(biāo)系MRF(Multiple Reference Frames)方法對(duì)該三葉螺旋槳進(jìn)行準(zhǔn)定常數(shù)值模擬和性能計(jì)算。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)三葉螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下的靜態(tài)拉力、扭矩和效率進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得到拉力偏差值在2%左右，扭矩偏差值在10%左右。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可為通航飛機(jī)螺旋槳的模擬和設(shè)計(jì)提供參考。

三葉螺旋槳；氣動(dòng)性能；數(shù)值模擬；風(fēng)洞試驗(yàn)；通用航空

目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)主要是采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法進(jìn)行性能的計(jì)算，雖然計(jì)算速度快，但是精度不高，而且許多方法對(duì)于零風(fēng)速下的螺旋槳性能預(yù)測(cè)偏差范圍更大。本文將對(duì)三葉通航飛機(jī)螺旋槳采用基于雷諾平均NS方程的多重參考坐標(biāo)系MRF方法對(duì)其滑流進(jìn)行準(zhǔn)定常數(shù)值模擬，分析螺旋槳在零風(fēng)速下的流場(chǎng)特性和相關(guān)性能，并按照等前進(jìn)比原則進(jìn)行了螺旋槳的靜態(tài)拉力試驗(yàn)，驗(yàn)證計(jì)算值與試驗(yàn)值的吻合程度較好，可為今后通航飛機(jī)螺旋槳?dú)鈩?dòng)計(jì)算提供參考。

1 螺旋槳數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

(1)

式(1)中t為時(shí)間項(xiàng)，V為流體微元單元控制體，S為圍繞單元控制體的封閉曲面，Q為守恒變量，H為無(wú)黏通量，Hv為黏性通量項(xiàng)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的添加源項(xiàng)G，其具體求解公式如下：

QT=[ρ,ρu,ρv,ρw,ρE]

(2)

(3)

(4)

(5)

在式(2)～(5)中，Ix,Iy,Iz分別是絕對(duì)坐標(biāo)系下坐標(biāo)軸方向的單位向量，τij為黏性應(yīng)力量，ρ,q,qb,u,v,w,E,H,p,ω分別為流體的密度、流體絕對(duì)速度、網(wǎng)格速度、絕對(duì)速度在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的3個(gè)分量、總能、總焓、壓力和旋翼的旋轉(zhuǎn)角速度矢量。f5,g5,h5的表達(dá)式如(6)，其中k和T分別為熱傳導(dǎo)系數(shù)和溫度。

(6)

1.2 湍流模型

雖然前列腺等離子電切技術(shù)安全性高于普通單極電切，但是絕大多數(shù)前列腺增生患者為高齡人群，且多合并各種基礎(chǔ)疾病。因此，安全有效地使用該技術(shù)對(duì)確保醫(yī)療安全、提高前列腺增生患者的生活質(zhì)量具有重要意義。

本文計(jì)算采用基于k-ω的SST湍流模型來(lái)使平均運(yùn)動(dòng)方程封閉以便求解?；趉-ω的SST湍流模型解決了湍流剪切應(yīng)力的傳輸，同時(shí)又在湍流開(kāi)端和在負(fù)壓梯度下產(chǎn)生的氣流分離進(jìn)行了高度準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，具有較好的普適性。

兩方程SST模型方程可以表示為

(7)

渦粘性系數(shù)可以由下式確定

(8)

湍流生成項(xiàng)Pk，Pω分別定義為

(9)

模型控制方程中的常數(shù)Φ={Cω,σk,σω,β}由下式求得：

Φ=F1Φ1+(1-F1)Φ2

(10)

以下為計(jì)算中選取的各擬合常數(shù)的數(shù)值，其中d為到物面的最小距離。

1.3 計(jì)算方法及模型

采用體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化，對(duì)流項(xiàng)的離散格式采用高分辨率格式，湍流數(shù)值方程的離散格式也采用高分辨率格式，物理時(shí)間步長(zhǎng)為0.001s。當(dāng)殘差小于1×10-7時(shí)認(rèn)為迭代收斂，停止計(jì)算。

模型采用直徑1.6m的電動(dòng)飛機(jī)固定槳距的兩葉螺旋槳，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)區(qū)域，在物面生成十分之一弦長(zhǎng)高度的附面層。網(wǎng)格數(shù)量為530萬(wàn)，網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格

靜止的流場(chǎng)域采用六面體的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行模擬，網(wǎng)格數(shù)量為280萬(wàn)。兩個(gè)流場(chǎng)域的交界面采用流體與流體耦合的形式進(jìn)行計(jì)算。圖2為邊界條件的設(shè)置情況，分別為速度入口、壓力出口、壁面。由于已知來(lái)流速度，將入口邊界定義為速度入口條件，添加來(lái)流速度變量。螺旋槳表面定義為無(wú)滑移壁面，出口和四周定義為環(huán)境壓力101 kPa，無(wú)壓力梯度的邊界條件。

圖2 流場(chǎng)域及邊界條件

2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

在各計(jì)算狀態(tài)收斂后，采用CFD-POST進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理。分析轉(zhuǎn)速為2380RPM時(shí)的流場(chǎng)特性。圖3和圖4槳葉分別為槳葉迎、背風(fēng)表面壓力云圖和槳葉表面極限流線圖。

圖3 槳葉表面壓力云圖

從圖3可以看出螺旋槳迎風(fēng)面壓力最小值出現(xiàn)在r=0.8～0.9 R的葉素前緣，壓力總體上從槳葉尖部前緣向槳根后緣逐步增加。背風(fēng)面壓力在r=0.85～0.95 R槳葉后緣較大，整體變化趨勢(shì)較為緩和。

圖4 槳葉表面極限流線

從圖4可以看出來(lái)流在經(jīng)過(guò)螺旋槳表面平滑的流向后緣，整個(gè)螺旋槳上下表面的流線分布比較均勻，僅槳尖位置有很小范圍的流線不是相互平行，可以考慮為槳葉尖部形成的槳尖渦誘導(dǎo)了流線的偏轉(zhuǎn)，由于整個(gè)區(qū)域的流線都保持的很好，沒(méi)有出現(xiàn)分離，證明高效率螺旋槳的設(shè)計(jì)方法是可行的。

3 螺旋槳縮比風(fēng)洞試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，根據(jù)等前進(jìn)比相似準(zhǔn)則[16]，在西北工業(yè)大學(xué)NF-3風(fēng)洞進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，模型直徑為0.96 m，風(fēng)洞試驗(yàn)段寬3.5m、高2.5 m、長(zhǎng)12 m，截面為切角矩形，切角為0.6 m。湍流度為0.078%。試驗(yàn)使用西工大700型六分量盒式天平(編號(hào)TP0701)。六分量天平的電壓信號(hào)采集由VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)有64個(gè)通道，采集速度為100 k/s，采集速度不小于100 kHz。試驗(yàn)對(duì)螺旋槳零風(fēng)速情況下的拉力、力矩進(jìn)行了測(cè)量。螺旋槳在風(fēng)洞中的安裝如圖5所示。

圖5 螺旋槳在風(fēng)洞中

4 結(jié)果對(duì)比分析

螺旋槳的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算比較復(fù)雜，影響因素較多，為了更好的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文對(duì)拉力、力矩與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。如圖6所示，隨轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槳的拉力系數(shù)拉力的吻合的差距越小，兩者的差距維持在2%以內(nèi)。如圖7所示，力矩隨著轉(zhuǎn)速的增加，差距逐步變大，兩者的差距維持在10%以內(nèi)。兩個(gè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)基本一致，吻合度較好。

圖6 計(jì)算拉力值與試驗(yàn)對(duì)比

圖7 計(jì)算扭矩值與試驗(yàn)對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過(guò)基于雷諾平均Navier-Stokes方程的多重參考坐標(biāo)系MRF方法對(duì)螺旋槳滑流進(jìn)行準(zhǔn)定常數(shù)值模擬計(jì)算與地面風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了某型三葉螺旋槳的氣動(dòng)特性，得出以下結(jié)論。

(1)總體來(lái)看，該準(zhǔn)定常方法與試驗(yàn)的偏差在10%范圍以內(nèi)，且差距趨勢(shì)基本保持不變，可以為工程提供較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和評(píng)估。

(2)從流場(chǎng)的云圖及流線等信息可以看出，該方法可以較為準(zhǔn)確的評(píng)估流場(chǎng)的實(shí)際狀況，對(duì)于螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

(3)旋轉(zhuǎn)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，靜止域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這種操作可以大大節(jié)省網(wǎng)格的生成時(shí)間，對(duì)于精度的影響有待進(jìn)一步的研究。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

Aerodynamic numerical and test study of a three-blade propeller

XIANG Song,LIU Yuan-qiang

(Liaoning Key Laboratory of General Aviation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Propeller slipstream and performance of a three-blade propeller were simulated using Multiple Reference Frames (MRF) quasi-steady method based on the Reynolds-averaged Naiver-Stokes(RANS)equation and Shear Stress Transport (SST) turbulence model.Thrust,torque and efficiency of the three-blade propellers caused by simulation were analyzed under different rotational speed compared to the results of tests.Deviation value of the tension is around 2%,and deviation value of the torque is about 10%.It is found by comparison that calculation results are in good agreement with those obtained from the test results,which can provide the guidance for propeller design applications.

three-blade propeller;aerodynamic performance;numerical simulation;wind tunnel test;general aviation

2016-12-29

遼寧省教育廳科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：L201622)；沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：F16-205-1-07)；遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào)：2015020167)；遼寧省百千萬(wàn)人才工程項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014921048)

項(xiàng)松(1978-)，男，遼寧燈塔人，高級(jí)工程師，主要研究方向：高效率螺旋槳設(shè)計(jì)，E-mail:xs74342@sina.com。

2095-1248(2017)03-0032-05

V211.44

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.004