螺旋槳短艙氣動干擾非定常數(shù)值模擬研究課件

1、 螺旋槳/短艙氣動干擾非定常數(shù)值模擬研究主要內(nèi)容一、研究背景二、數(shù)值模擬方法三、非定常數(shù)值模擬四、準定常數(shù)值模擬五、無人機數(shù)值模擬一.研究背景難點相對運動計算量大非定常性滑流現(xiàn)象非常復雜難點某型垂直起降無人機一.研究背景二.數(shù)值模擬方法等效盤方法MRF方法非定常準定常重疊網(wǎng)格方法能夠模擬大幅度運動降低生成網(wǎng)格的難度模擬螺旋槳滑流非定?，F(xiàn)象優(yōu)點：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時間：相對非定常方法用時較少優(yōu)點：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時間：相對非定常方法用時較少優(yōu)點：采用非結(jié)構(gòu)有限體積法求解N-S方程空間格式：二階中心格式+矩陣耗散時間格式：雙時間推進+LU-SGS格式湍流模型：基于SA模型的IDDES

2、模擬方法動網(wǎng)格技術(shù)：非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格技術(shù)其他：網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)CFD方法與設(shè)置二.數(shù)值模擬方法Complex Flows and Turbulence Modeling二.數(shù)值模擬方法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 modeledR

3、ANS : All the turbulent scales are modeled (RANS/URANS) In DNS, you just solve the Navier-Stokes EquationsIn LES, you solve a filtered version of the Navier-Stokes Equations along with another equation to represent the turbulent small scalesIn RANS, you solve the averaged version of the Navier-Stoke

4、s equation along with another equation to represent all the turbulent scalesComplex Flows and Turbulence Modeling二.數(shù)值模擬方法Advantages: combination of the best features of both modelssimple implementationtime accurate resultsDisadvantages: switching between models is grid dependenttime- and memory cons

5、uming simulationsAdditional low-Reynolds number corrections to improve the LES part of the model are possible (see Shur and Strelets)Principles of Detached Eddy Simulation二.數(shù)值模擬方法Complex Flows and Turbulence Modeling二.數(shù)值模擬方法 尋點2 插值3關(guān)鍵技術(shù)：注：紅色網(wǎng)格為背景網(wǎng)格，綠色網(wǎng)格為運動網(wǎng)格，兩個區(qū)域網(wǎng)格之間有重疊。重疊網(wǎng)格技術(shù) 挖洞1三.非定常數(shù)值模擬螺旋槳直徑：0.34

6、17m短艙長度約：0.863m1. 計算模型三.非定常數(shù)值模擬2. 計算網(wǎng)格重疊網(wǎng)格技術(shù)三.非定常數(shù)值模擬XZ截面網(wǎng)格圖XZ截面渦量分布云圖未采用網(wǎng)格自適應(yīng)采用網(wǎng)格自適應(yīng)網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)2. 計算網(wǎng)格三.非定常數(shù)值模擬來流條件來流速度30m/s溫度287.909K雷諾數(shù)2056170螺旋槳轉(zhuǎn)速6560rmp等槳盤傾角0時間步長2.54065e-5s表1 計算條件3. 計算條件三.非定常數(shù)值模擬a. 螺旋槳后氣流明顯加速， 流管收縮b. 流線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)c. 與螺旋槳滑流理論現(xiàn)象一致流線分析4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬渦量分析4. 結(jié)果分析漿尖渦漿轂渦三.非定常數(shù)值模擬沿x軸正向yz截面馬赫數(shù)

7、分布單獨螺旋槳沿x軸正向yz截面渦量分布4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬沿x軸正向yz截面馬赫數(shù)分布帶吊艙螺旋槳沿x軸正向yz截面渦量分布4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬轉(zhuǎn)速(rpm)計算值實驗值誤差49920.14040.13414.7%54400.17890.17542.0%61920.25700.24594.5%63680.27320.26632.6%65600.29780.28763.5%表2 螺旋槳拉力系數(shù)對比4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬表 3 單獨螺旋槳和帶短艙螺旋槳的拉力系數(shù)對比槳葉不同截面處翼型的表面壓力系數(shù)Cp分布轉(zhuǎn)速(rpm)單獨螺旋槳帶吊艙增加 65600.27930

8、.29786.6%4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬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 39.34-10.1121.8C2-2.4520.966 40.65-9.4221.4D1-1.2170.767 39.88-12.9327.4D2-1.1470.784 43.89-12.2928.8E1-0.6440.825 47.62-1

9、0.6928.9E2-0.6790.913 46.47-9.1925.4表4 有/無短艙螺旋槳槳尖渦結(jié)構(gòu)參數(shù)對照表4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬渦量分析1.黑點線、黑線分別表示t=0T時刻的槳轂渦、槳尖渦軌跡；2.槳尖渦、槳轂渦的軌跡分別與黑線、黑點線重合，說明槳尖渦、槳轂渦的失穩(wěn)發(fā)展具有周期性。4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬1.槳尖渦失穩(wěn)，出現(xiàn)了配對融合現(xiàn)象（首次模擬得到）；2.單獨螺旋槳和帶短艙螺旋槳槳尖渦的失穩(wěn)位置相同；3.單獨螺旋槳和帶短艙螺旋槳槳尖渦失穩(wěn)后配對融合位置幾乎相同。相同時刻螺旋槳尾渦等值面分布（Q準則）渦量分析4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬 1.藍色方點線和紅色方點

10、線分別表示單獨螺旋槳槳尖渦在該時刻的包絡(luò)線； 2.帶短艙螺旋槳和單獨螺旋槳漿尖渦失穩(wěn)后的發(fā)展過程是相同的，同樣具有周期性； 3.漿轂渦在短艙表面形成螺旋狀結(jié)構(gòu)；短艙收縮處形成K-H不穩(wěn)定渦環(huán)并逐步形成短艙尾跡； 4.漿轂渦形式變化有利于增大螺旋槳拉力。漿轂渦K-H Instability渦量分析4. 結(jié)果分析二.數(shù)值模擬方法等效盤方法MRF方法非定常準定常重疊網(wǎng)格方法能夠模擬大幅度運動降低生成網(wǎng)格的難度模擬螺旋槳滑流非定常現(xiàn)象優(yōu)點：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時間：相對非定常方法用時較少優(yōu)點：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時間：相對非定常方法用時較少優(yōu)點：四.準定常數(shù)值模擬 MRF: Multi-Ref

11、erence Frame 多重參考系法:分為運動區(qū)域網(wǎng)格和靜止區(qū)域網(wǎng)格，但兩塊網(wǎng)格之間無重疊部分。1. MRF方法四.準定常數(shù)值模擬螺旋槳等效盤源項的計算C+編程2. 等效盤方法四.準定常數(shù)值模擬等效盤方法MRF方法流線圖3. 流線圖分布四.準定常數(shù)值模擬速度分布靜壓分布4. 準定常計算結(jié)果四.準定常數(shù)值模擬轉(zhuǎn)速(rpm)MRF誤差等效盤誤差非定常誤差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 計算拉力與實驗拉力值對比6. 拉力數(shù)據(jù)對比五.無人機數(shù)值模擬

12、舵面無偏轉(zhuǎn)（半模）1. 計算模型五.無人機數(shù)值模擬偏轉(zhuǎn)正10偏轉(zhuǎn)負101. 計算模型五.無人機數(shù)值模擬來流：10m/s轉(zhuǎn)速：1500rpm離地距離：0.25機高(0.45m)舵面偏角：-30，-20 ，-10 ，-5 ，0 , 5 ,10 ,20 ,30 2. 來流條件五.無人機數(shù)值模擬3. 計算網(wǎng)格五.無人機數(shù)值模擬MRF方法計算網(wǎng)格圖3. 計算網(wǎng)格五.無人機數(shù)值模擬表明壓力分布（無舵偏）4. 計算結(jié)果五.無人機數(shù)值模擬表明壓力分布（正舵偏10）4. 計算結(jié)果五.無人機數(shù)值模擬表明壓力分布（負舵偏10）4. 計算結(jié)果五.無人機數(shù)值模擬攻角FxFyFzMxMyMz30568.374.9-90.

13、0153.0-89.1645.620611.871.8-79.3142.1-74.9706.210569.747.3-24.583.7-7.60663.10572.649.70.8152.923.9667.8-5573.152.0-6.562.416.1665.7-10569.849.9-22.181.0-2.8661.8-30564.048.9-41.279.3-20.1662.5表6 基于機體坐標系的結(jié)果4. 計算結(jié)果五.無人機數(shù)值模擬舵面無偏轉(zhuǎn)舵面偏轉(zhuǎn)正10地效的影響4. 計算結(jié)果六.結(jié)論(1) 結(jié)合非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格技術(shù)的IDDES方法能夠很好地捕捉螺旋槳的尾渦結(jié)構(gòu)，螺旋槳拉力系數(shù)的計算值

14、和實驗值吻合良好。(2) 短艙的存在增大了螺旋槳的拉力系數(shù)；短艙對槳轂渦的結(jié)構(gòu)影響較大，但對槳尖渦的螺旋結(jié)構(gòu)影響較小。在相同槳尖渦的渦核位置，有/無短艙螺旋槳槳尖渦的螺距角相同。(3) 有/無短艙螺旋槳槳尖渦的失穩(wěn)位置相同，失穩(wěn)后槳尖渦之間配對融合過程一致，槳尖渦的包絡(luò)線重合。這說明螺旋槳槳轂渦的失穩(wěn)特性對槳尖渦的失穩(wěn)沒有影響。(4) 槳尖渦的失穩(wěn)發(fā)展過程具有周期性，短艙不改變槳尖渦失穩(wěn)發(fā)展的周期性；和單獨螺旋槳相比，短艙結(jié)構(gòu)有利于增大螺旋槳拉力。Q & A謝謝各位專家！廈門大學航空航天學院介紹四、科學研究(飛行器及動力技術(shù)）超燃沖壓發(fā)動機設(shè)計2. 先進戰(zhàn)斗機布局設(shè)計3. 空天飛行器飛/推一體

15、化4.計算流體力學方法研究航空航天器復雜流動模擬戰(zhàn)斗機無隔道進氣道設(shè)計國家重大專項國家重大科技工程廈門大學航空航天學院介紹四、科學研究(飛行器及動力技術(shù)）廈門大學航空航天學院走訪調(diào)研 2015.12 在超燃沖壓發(fā)動機設(shè)計方面，發(fā)展了一種新型三維內(nèi)收縮高超聲速進氣道，提出了其設(shè)計方法，并采用CFD手段和高焓風洞試驗方法研究了典型三維內(nèi)乘波式進氣道流動特征和工作特性。序號項目名稱項目來源1三維內(nèi)收縮進氣道與燃燒室的一體化設(shè)計中航工業(yè)產(chǎn)學研創(chuàng)新基金2雙模態(tài)沖壓發(fā)動機模態(tài)轉(zhuǎn)換過程可控燃燒機制研究國家自然科學基金項目3內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道設(shè)計方法研究國家重大專項子課題4沖壓發(fā)動機畸變?nèi)菹迶?shù)值仿真及進口流場品質(zhì)改

16、善技術(shù)國家重大專項子課題三維內(nèi)乘波式高超聲速進氣道三維內(nèi)收縮進氣道高焓風洞實驗廈門大學航空航天學院介紹四、科學研究(飛行器及動力技術(shù)）廈門大學航空航天學院走訪調(diào)研 2015.12 在先進戰(zhàn)斗機布局方面，發(fā)展了基于“密切乘波”概念的無隔道進氣道設(shè)計方法，并成功應(yīng)用于國產(chǎn)多款先進戰(zhàn)機，提高進氣道性能，拓展飛行邊界。序號項目名稱項目來源1飛行器非定常流動高精度數(shù)值計算國防基礎(chǔ)科研項目2飛行器布局設(shè)計研究沈陽飛機設(shè)計研究所3飛機氣動力仿真分析參數(shù)化建模技術(shù)研究沈陽飛機設(shè)計研究所4進氣道設(shè)計與研究國防科學技術(shù)大學國防科技進步三等獎沈陽飛機設(shè)計研究所殲31戰(zhàn)斗機廈門大學航空航天學院介紹四、科學研究(飛行器

17、及動力技術(shù)）廈門大學航空航天學院走訪調(diào)研 2015.12 在空天飛行器飛/推一體化方面，發(fā)展了外流乘波理論，將它推廣到內(nèi)、外混合流動，并最終發(fā)展出一類被稱為“雙乘波”的高超聲速內(nèi)、外流一體化氣動設(shè)計概念。序號項目名稱項目來源1空天飛行器若干關(guān)鍵氣動問題數(shù)值模擬研究中航工業(yè)產(chǎn)學研創(chuàng)新基金2利用進氣道出流渦特征提升燃燒室噴射和摻混特性研究國家自然科學基金項目3聯(lián)系高超聲速內(nèi)外流的雙乘波氣動原理概念研究國家自然科學基金項目4高Ma數(shù)氣動力熱高精度數(shù)值仿真方法與布局分析設(shè)計沈陽飛機設(shè)計研究所“雙乘波” 一體化氣動設(shè)計概念“雙乘波” 一體化氣動設(shè)計概念廈門大學航空航天學院介紹四、科學研究(飛行器及動力技術(shù)）廈門大學航空航天學院走訪調(diào)研 2015.12 在計算流體力學方法研究方面，開發(fā)德國航空航天中心CFD計算程序DES方法，并揭示了歐洲Ariane 5號火箭底部流動、Hyshot II高超聲速飛行器燃燒室內(nèi)部復雜流動與物理機制。序號項目名稱項目來源1飛機非定常氣動力學與控制技術(shù)研究中航工業(yè)產(chǎn)學研創(chuàng)新基金2基于火焰面模型的大渦模擬方法研究中國空氣動力研究與發(fā)展中