螺旋槳短艙氣動(dòng)干擾非定常數(shù)值模擬研究課件

1、 螺旋槳/短艙氣動(dòng)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(zhǔn)定常數(shù)值模擬五、無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬一.研究背景難點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)算量大非定常性滑流現(xiàn)象非常復(fù)雜難點(diǎn)某型垂直起降無(wú)人機(jī)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(zhǔn)定常重疊網(wǎng)格方法能夠模擬大幅度運(yùn)動(dòng)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(diǎn)：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時(shí)間：相對(duì)非定常方法用時(shí)較少優(yōu)點(diǎn)：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時(shí)間：相對(duì)非定常方法用時(shí)較少優(yōu)點(diǎn)：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(shí)間格式：雙時(shí)間推進(jìn)+LU-SGS格式湍流模型：基于SA模型的IDDES

2、模擬方法動(dòng)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)網(wǎng)格，兩個(gè)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(zhǎng)度約：0.863m1. 計(jì)算模型三.非定常數(shù)值模擬2. 計(jì)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(jì)算網(wǎng)格三.非定常數(shù)值模擬來(lái)流條件來(lái)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(shí)間步長(zhǎng)2.54065e-5s表1 計(jì)算條件3. 計(jì)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(dú)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(jì)算值實(shí)驗(yàn)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(duì)比4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬表 3 單獨(dú)螺旋槳和帶短艙螺旋槳的拉力系數(shù)對(duì)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(dú)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(wú)短艙螺旋槳槳尖渦結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)照表4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬渦量分析1.黑點(diǎn)線、黑線分別表示t=0T時(shí)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(diǎn)線重合，說(shuō)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(duì)融合現(xiàn)象（首次模擬得到）；2.單獨(dú)螺旋槳和帶短艙螺旋槳槳尖渦的失穩(wěn)位置相同；3.單獨(dú)螺旋槳和帶短艙螺旋槳槳尖渦失穩(wěn)后配對(duì)融合位置幾乎相同。相同時(shí)刻螺旋槳尾渦等值面分布（Q準(zhǔn)則）渦量分析4. 結(jié)果分析三.非定常數(shù)值模擬 1.藍(lán)色方點(diǎn)線和紅色方點(diǎn)

10、線分別表示單獨(dú)螺旋槳槳尖渦在該時(shí)刻的包絡(luò)線； 2.帶短艙螺旋槳和單獨(dú)螺旋槳漿尖渦失穩(wěn)后的發(fā)展過(guò)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(zhǔn)定常重疊網(wǎng)格方法能夠模擬大幅度運(yùn)動(dòng)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(diǎn)：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時(shí)間：相對(duì)非定常方法用時(shí)較少優(yōu)點(diǎn)：能夠模擬螺旋槳滑流的影響時(shí)間：相對(duì)非定常方法用時(shí)較少優(yōu)點(diǎn)：四.準(zhǔn)定常數(shù)值模擬 MRF: Multi-Ref

11、erence Frame 多重參考系法:分為運(yùn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格和靜止區(qū)域網(wǎng)格，但兩塊網(wǎng)格之間無(wú)重疊部分。1. MRF方法四.準(zhǔn)定常數(shù)值模擬螺旋槳等效盤源項(xiàng)的計(jì)算C+編程2. 等效盤方法四.準(zhǔn)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(zhǔn)定常數(shù)值模擬速度分布靜壓分布4. 準(zhǔn)定常計(jì)算結(jié)果四.準(zhǔn)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(jì)算拉力與實(shí)驗(yàn)拉力值對(duì)比6. 拉力數(shù)據(jù)對(duì)比五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬

12、舵面無(wú)偏轉(zhuǎn)（半模）1. 計(jì)算模型五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬偏轉(zhuǎn)正10偏轉(zhuǎn)負(fù)101. 計(jì)算模型五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬來(lái)流：10m/s轉(zhuǎn)速：1500rpm離地距離：0.25機(jī)高(0.45m)舵面偏角：-30，-20 ，-10 ，-5 ，0 , 5 ,10 ,20 ,30 2. 來(lái)流條件五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬3. 計(jì)算網(wǎng)格五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬MRF方法計(jì)算網(wǎng)格圖3. 計(jì)算網(wǎng)格五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬表明壓力分布（無(wú)舵偏）4. 計(jì)算結(jié)果五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬表明壓力分布（正舵偏10）4. 計(jì)算結(jié)果五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬表明壓力分布（負(fù)舵偏10）4. 計(jì)算結(jié)果五.無(wú)人機(jī)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(jī)體坐標(biāo)系的結(jié)果4. 計(jì)算結(jié)果五.無(wú)人機(jī)數(shù)值模擬舵面無(wú)偏轉(zhuǎn)舵面偏轉(zhuǎn)正10地效的影響4. 計(jì)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(jì)算值

14、和實(shí)驗(yàn)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(duì)槳轂渦的結(jié)構(gòu)影響較大，但對(duì)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(wú)短艙螺旋槳槳尖渦的螺距角相同。(3) 有/無(wú)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(duì)融合過(guò)程一致，槳尖渦的包絡(luò)線重合。這說(shuō)明螺旋槳槳轂渦的失穩(wěn)特性對(duì)槳尖渦的失穩(wěn)沒(méi)有影響。(4) 槳尖渦的失穩(wěn)發(fā)展過(guò)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(dú)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(xué)航空航天學(xué)院介紹四、科學(xué)研究(飛行器及動(dòng)力技術(shù)）超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)2. 先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)布局設(shè)計(jì)3. 空天飛行器飛/推一體

15、化4.計(jì)算流體力學(xué)方法研究航空航天器復(fù)雜流動(dòng)模擬戰(zhàn)斗機(jī)無(wú)隔道進(jìn)氣道設(shè)計(jì)國(guó)家重大專項(xiàng)國(guó)家重大科技工程廈門大學(xué)航空航天學(xué)院介紹四、科學(xué)研究(飛行器及動(dòng)力技術(shù)）廈門大學(xué)航空航天學(xué)院走訪調(diào)研 2015.12 在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面，發(fā)展了一種新型三維內(nèi)收縮高超聲速進(jìn)氣道，提出了其設(shè)計(jì)方法，并采用CFD手段和高焓風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了典型三維內(nèi)乘波式進(jìn)氣道流動(dòng)特征和工作特性。序號(hào)項(xiàng)目名稱項(xiàng)目來(lái)源1三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道與燃燒室的一體化設(shè)計(jì)中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金2雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程可控燃燒機(jī)制研究國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法研究國(guó)家重大專項(xiàng)子課題4沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)畸變?nèi)菹迶?shù)值仿真及進(jìn)口流場(chǎng)品質(zhì)改

16、善技術(shù)國(guó)家重大專項(xiàng)子課題三維內(nèi)乘波式高超聲速進(jìn)氣道三維內(nèi)收縮進(jìn)氣道高焓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)廈門大學(xué)航空航天學(xué)院介紹四、科學(xué)研究(飛行器及動(dòng)力技術(shù)）廈門大學(xué)航空航天學(xué)院走訪調(diào)研 2015.12 在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)布局方面，發(fā)展了基于“密切乘波”概念的無(wú)隔道進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法，并成功應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)多款先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)，提高進(jìn)氣道性能，拓展飛行邊界。序號(hào)項(xiàng)目名稱項(xiàng)目來(lái)源1飛行器非定常流動(dòng)高精度數(shù)值計(jì)算國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目2飛行器布局設(shè)計(jì)研究沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所3飛機(jī)氣動(dòng)力仿真分析參數(shù)化建模技術(shù)研究沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所4進(jìn)氣道設(shè)計(jì)與研究國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)防科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所殲31戰(zhàn)斗機(jī)廈門大學(xué)航空航天學(xué)院介紹四、科學(xué)研究(飛行器

17、及動(dòng)力技術(shù)）廈門大學(xué)航空航天學(xué)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(dòng)，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(dòng)設(shè)計(jì)概念。序號(hào)項(xiàng)目名稱項(xiàng)目來(lái)源1空天飛行器若干關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題數(shù)值模擬研究中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新基金2利用進(jìn)氣道出流渦特征提升燃燒室噴射和摻混特性研究國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3聯(lián)系高超聲速內(nèi)外流的雙乘波氣動(dòng)原理概念研究國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4高M(jìn)a數(shù)氣動(dòng)力熱高精度數(shù)值仿真方法與布局分析設(shè)計(jì)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所“雙乘波” 一體化氣動(dòng)設(shè)計(jì)概念“雙乘波” 一體化氣動(dòng)設(shè)計(jì)概念廈門大學(xué)航空航天學(xué)院介紹四、科學(xué)研究(飛行器及動(dòng)力技術(shù)）廈門大學(xué)航空航天學(xué)院走訪調(diào)研 2015.12 在計(jì)算流體力學(xué)方法研究方面，開發(fā)德國(guó)航空航天中心CFD計(jì)算程序DES方法，并揭示了歐洲Ariane 5號(hào)火箭底部流動(dòng)、Hyshot II高超聲速飛行器燃燒室內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)與物理機(jī)制。序號(hào)項(xiàng)目名稱項(xiàng)目來(lái)源1飛機(jī)非定常氣動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)研究中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)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(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中