某單排螺旋槳縮尺試驗(yàn)件在試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境下的數(shù)值研究

彭學(xué)敏 賀象

摘 要：螺旋槳的槳葉為開放式的，在獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)過程中，易受到來自試驗(yàn)臺(tái)的干擾。對于試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)和試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都應(yīng)了解車臺(tái)地面安裝臺(tái)階和增速箱的影響，這是很有必要的?；诖?，本文以某單排螺旋槳試驗(yàn)件為研究對象，采用CFX計(jì)算軟件，開展了試驗(yàn)臺(tái)地面安裝臺(tái)階和增速箱對螺旋槳性能影響的數(shù)值研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)地面安裝臺(tái)階和增速箱都比螺旋槳性能有較明顯的影響，但合適地選取設(shè)計(jì)參數(shù)，可排除兩者對螺旋槳性能的影響。該研究將為螺旋槳試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)和試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：單排螺旋槳;試驗(yàn)件;試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境;數(shù)值研究

渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低速飛行和起飛時(shí)具有良好工作性能，且有耗油率低的優(yōu)勢[1-2]。螺旋槳部件試驗(yàn)大都在風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞能準(zhǔn)確控制流場，能測定流場細(xì)節(jié)[3-4]，但試驗(yàn)成本高。相對而言地面試驗(yàn)成本相對較低，雖試驗(yàn)環(huán)境相對單一但也可開展部分基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。螺旋槳為開放式葉片，無機(jī)匣包裹，在獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)過程中，易受到來自試驗(yàn)臺(tái)的干擾。一般在建設(shè)螺旋槳試驗(yàn)臺(tái)時(shí)，為保證試驗(yàn)件軸系的高度，通常會(huì)在地面設(shè)計(jì)有安裝臺(tái)階。那在試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)論證過程過中就需考慮兩個(gè)問題：第一，應(yīng)考慮安裝臺(tái)階對螺旋槳試驗(yàn)件性能的影響，選取試驗(yàn)件距臺(tái)階合適的位置;第二，增速箱用于帶動(dòng)螺旋槳試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺旋槳試驗(yàn)件尾部相連，位于螺旋槳?dú)饬飨掠?，在試?yàn)件結(jié)構(gòu)的軸系設(shè)計(jì)部分，就需考慮到增速箱對試驗(yàn)件性能的影響，合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)件軸系長度，以降低增速箱的影響?；谏鲜鰞蓚€(gè)問題，本文以某單排螺旋槳試驗(yàn)件為研究對象，采用CFX計(jì)算軟件，開展了在試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境下試驗(yàn)臺(tái)的安裝臺(tái)階和增速箱對螺旋槳性能影響的數(shù)值研究。

1 研究內(nèi)容

本文以某單排螺旋槳試驗(yàn)件為對象，就試驗(yàn)臺(tái)的安裝臺(tái)階和增速箱開展了兩組計(jì)算對比研究，文中結(jié)果均進(jìn)行非參化。

為研究安裝臺(tái)階對螺旋槳性能的影響，進(jìn)了第一組對比研究，對比方案如下：1）以不考慮試車間影響的軸對稱超大遠(yuǎn)場邊界條件的螺旋槳為基準(zhǔn)，其進(jìn)出口速度為0，遠(yuǎn)場速度為0（記為case1）;2）考慮臺(tái)階的影響，對比了兩組情況，即距安裝臺(tái)階垂直、水平距離分別為0.6m/0.9m和1.5m/0.4m（分別記為case2、case3），進(jìn)出口速度為0，無滑移壁面。

為研究增速箱對螺旋槳性能的影響，進(jìn)了第二組對比研究，對比方案如下：在case3基礎(chǔ)上考慮增速箱的影響，軸高同為1.5m，對比了螺旋槳分別距離增速箱1m、2m兩種情況（分別記為case4、case5），進(jìn)出口速度為0，無滑移壁面。

2 數(shù)值計(jì)算

利用CFX三維計(jì)算軟件進(jìn)行在螺旋槳的三維數(shù)值模擬分析，case1螺旋槳計(jì)算域選取如圖1所示，將螺旋槳及附近流動(dòng)單獨(dú)劃分出來設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)域，上下游及遠(yuǎn)場設(shè)置為靜止域，通常遠(yuǎn)場邊界取20倍直徑，上下游長度也取20倍直徑。case2至case5的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算域與case1保持一致，將靜止域替換為試驗(yàn)臺(tái)的網(wǎng)格，如圖2所示。

螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)域一般在槳尖創(chuàng)建一個(gè)小的遠(yuǎn)場，遠(yuǎn)場邊界一般取1.1倍半徑，網(wǎng)格設(shè)置選用的Numeca軟件的Autogrid模塊中專門針對對轉(zhuǎn)槳扇的網(wǎng)格模型。其余槳扇上下游網(wǎng)格和遠(yuǎn)場網(wǎng)格/試驗(yàn)臺(tái)網(wǎng)格作為一個(gè)整體，在CFX軟件中的ICEM模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。case1至case5數(shù)值模型的網(wǎng)格數(shù)分布如表1所示，螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格保持一致，只改變靜止域網(wǎng)格，轉(zhuǎn)動(dòng)域與靜止域之間交接面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型。

3 結(jié)果分析

3.1 安裝臺(tái)階的影響研究

采用上文所述數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格和設(shè)置，對比方案1的case1至case3對應(yīng)的螺旋槳功率、拉力計(jì)算特性對比見圖3，結(jié)果表明，在case2中，當(dāng)安裝臺(tái)階垂直、水平距離分別為0.6m/0.9m時(shí)，整個(gè)特性范圍內(nèi)螺旋槳的拉力和功率都明顯高于case1，且隨著轉(zhuǎn)速增大，差異逐漸增大;而當(dāng)case3中距安裝臺(tái)階垂直、水平距離增大至1.5m/0.4m后，螺旋槳的特性與case1基本重合，說明安裝臺(tái)階的影響基本消除;總的來看，安裝臺(tái)階對螺旋槳試驗(yàn)件的性能影響較大，當(dāng)距離過小時(shí)，對螺旋槳的性能會(huì)有較大的干擾作用，另外，對比case2和case3來看，case3的垂直距離提高，但水平距離是縮短的，就基本消除了安裝臺(tái)階的影響，可判斷，試驗(yàn)件與安裝臺(tái)階的垂直距離的選取更為關(guān)鍵。

圖4分別為case1至case3設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的子午面內(nèi)的馬赫數(shù)分布云圖，從圖中馬赫數(shù)分布變化可看出，case1中在超大遠(yuǎn)場邊界條件下，無外界干擾，螺旋槳的流場是對稱分布的;在case2中，安裝臺(tái)階對螺旋槳的流場產(chǎn)生明顯的干擾，導(dǎo)致整個(gè)流場分布發(fā)生較大的變化，螺旋槳的流場呈現(xiàn)出不對稱分布，使螺旋槳特性偏移;在case3中，將試驗(yàn)件距離臺(tái)階垂直距離增至1.5m后，安裝臺(tái)階對螺旋槳

流場的干擾作用明顯減小，安裝臺(tái)階已位于其流場邊緣區(qū)域，螺旋槳的流場分布再次趨于對稱分布，此時(shí)，與case1的計(jì)算特性相差不大。

總的來看，螺旋槳性能對距安裝臺(tái)階的垂直距離更為敏感，但距離過近時(shí)，安裝臺(tái)階對螺旋槳的流場干擾明顯，從而使性能改變;當(dāng)上抬至合適距離時(shí)，可基本消除安裝臺(tái)階的影響。

3.2 增速箱的影響研究

采用上文所述數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格和設(shè)置，對比方案2的case3、case4、case5對應(yīng)的螺旋槳功率、拉力計(jì)算特性對比見圖5，結(jié)果表明，當(dāng)螺旋槳距離增速箱1m時(shí)，與case3的特性相比，低轉(zhuǎn)速時(shí)差異不大，隨著轉(zhuǎn)速增高，case4的螺旋槳性能開始出現(xiàn)偏差，拉力和功率呈現(xiàn)偏高的趨勢，且差異逐漸增大;當(dāng)case5中與增速向的距離增大至2m時(shí)，螺旋槳的計(jì)算特性與case3基本重合，說明增速箱的影響已基本消除。與3.1節(jié)中的結(jié)果相比，還可發(fā)現(xiàn)，與安裝臺(tái)階的參數(shù)變化相比，增速箱對螺旋槳性能的干擾作用相對較小。

圖6分別為case4至case5設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的子午面內(nèi)的馬赫數(shù)分布云圖，與case3對比，可看出，在case4中，增速箱仍處于螺旋槳的尾跡主流區(qū)內(nèi)，對螺旋槳的流場產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致整個(gè)流場發(fā)生較大的變化，從而改變螺旋槳性能;而在case5中，當(dāng)距離拉大到2m，增速箱已處于螺旋槳尾跡主流區(qū)之外，干擾作用明顯減小，螺旋槳附近主要的流場分布與case3的流場分布差異明顯減小，兩者計(jì)算特性也相差不大。

總的來看，增速箱對螺旋槳性能有一定的影響，相對而言，低于安裝臺(tái)階的影響;當(dāng)兩者的距離，能使增速箱處于螺旋槳尾跡主流區(qū)之后，就可基本消除增速箱對螺旋槳性能的影響。

4 結(jié)束語

本文采用CFX計(jì)算軟件開展了在試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境下安裝臺(tái)階和增速箱對某單排螺旋槳試驗(yàn)件性能的影響研究，結(jié)果表明：

（1）安裝臺(tái)階和增速箱都對螺旋槳的性能有較大的影響，相對而言，安裝臺(tái)階的影響更大;

（2）距安裝臺(tái)階垂直距離的選取更為關(guān)鍵，對于該螺旋槳，垂直距離取值1.5m時(shí)，安裝臺(tái)階對該螺旋槳流場的干擾就明顯減小，對性能影響基本消除。

（3）對于增速箱距螺旋槳距離的選取，只要能使增速箱位于螺旋槳的尾跡主流區(qū)之后，例如對于該試驗(yàn)件，距離取值2m，就可基本消除增速箱對螺旋槳的性能影響。

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作者簡介：

彭學(xué)敏（1988-） 女，漢族，湖南郴州人，碩士，工程師，現(xiàn)就職于中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，研究方向：壓氣機(jī)及槳扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)。