CN109992893A - 一种螺旋桨气动外形优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提高一种螺旋桨气动外形优化设计方法，包括如下步骤：第一步，确定设计目标；第二步，截取若干剖面的翼型及其压力分布；第三步，对各剖面翼型分别进行气动优化设计；第四步，生成三维新螺旋桨外形；第五步，求解新螺旋桨的气动性能。本发明提供一种螺旋桨气动外形优化设计方法，可以缩短优化设计时间，提高设计效率。

Description

一种螺旋桨气动外形优化设计方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种螺旋桨气动外形优化设计方 法。

背景技术

多旋翼无人飞行器在工农业生产及人们的日常生活中发挥着重要的作用。这 类飞行器通过电机带动螺旋桨旋转来产生垂直于旋转平面的拉力，通过调节不同 螺旋桨的拉力大小值来实现飞行器的悬停、前飞、上升等动作。螺旋桨的拉力和 扭矩是飞行控制系统的重要输入条件，同时也是桨叶气动外形设计的两个主要技 术指标，这是由于拉力和扭矩的大小决定着螺旋桨的气动效率，而螺旋桨的气动 效率则是飞行器巡航时间的关键因素。

优化设计方法是一类比传统的“试凑法”更为先进的气动外形设计方法。这 类方法的本质是通过一定的优化算法来对一个基准的外形进行优化，从而达到提 高气动性能的目的。在进行气动优化设计的过程中，需要重复获得中间外形的较 为精确的气动性能，对于螺旋桨来说，就是要多次(成百上千次)进行高精度的 气动性能评估。

螺旋桨在工作过程中的运动较为复杂，既要随飞行器机体一起做悬停、前飞、 上升等运动，自己还需做旋转运动，因此，绕螺旋桨的流动十分复杂。较为精确 的获取螺旋桨气动性能的方法主要有实验方法和计算流体力学(CFD)数值模拟 方法。实验方法主要用于气动性能的测量和校验，而在设计过程中，主要采用CFD 方法。目前实用的较为精确的CFD方法是采用求解非定常雷诺平均N-S方程的方 法，但该方法计算十分费时，单次计算所需时间在24小时以上(Intel I7CPU 2.5 GHz处理器，不考虑并行计算)。因此，若直接求解非定常N-S方程来进行螺旋 桨的气动优化设计，则需要耗费大量的计算资源和计算时间(一次优化过程至少 100次CFD计算，则需至少100×24小时)。直接采用非定常N-S方法的螺旋桨 三维气动优化设计流程如图1所示。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋桨气动外形优化设计方法，可以大幅缩短优化 设计时间，提高设计效率。

本发明采用的技术方案是：本发明提供一种螺旋桨气动外形优化设计方法， 包括如下步骤：

第一步，确定设计目标：根据飞行器的总体设计要求，确定单个螺旋桨的设 计指标，采用非定常N-S方法计算出基准螺旋桨外形的气动性能；

第二步，截取若干剖面的翼型及其压力分布(这里假定取N1个剖面，N1小 于10)：将基准的螺旋桨三维外形沿着径向取出若干个剖面形状(翼型)，剖面 的选取从桨叶根部往外50％～100％半径处，桨根附近的翼型保持不变，得到若干 个剖面翼型的形状和压力分布；

第三步，对各剖面翼型分别进行气动优化设计：采用数值优化算法对各剖面 翼型进行气动优化设计，首先根据翼型所处展向位置、旋转速度、螺旋桨的垂直 运动速度，获得该翼型的有效来流马赫数M、来流迎角α、来流雷诺数Re，然后 根据三维螺旋桨的设计目标，确定各剖面二维翼型的优化设计目标；

第四步，生成三维新螺旋桨外形：将优化后的剖面翼型替换原三维桨叶的剖 面翼型，由剖面外形得到优化后的新的三维桨叶；

第五步，求解新螺旋桨的气动性能：采用非定常N-S方程求解新三维桨叶外 形的气动性能，并与基准外形的性能进行对比，验证设计方法的有效性。

可选的，在截取若干剖面的翼型之前，还包括确定基准螺旋桨外形：

在进行螺旋桨的气动外形优化设计时，首先需要指定基准螺旋桨的外形，基 准螺旋桨的选取参照与当前设计指标接近的已有螺旋桨，或者根据飞行器的总体 设计指标，初步确定桨叶的直径、叶片数量、叶片实度，在翼型库中选定螺旋桨 翼型，生成三维基准螺旋桨外形。

可选的，在截取若干剖面的翼型之前，还包括获得基准外形的气动性能参数： 当确定基准螺旋桨的外形后，采用求解非定常N-S方程的方法获得基准螺旋桨的 气动性能。

可选的，螺旋桨外形的气动性能包括：拉力、扭矩、功率、效率。

可选的，所述生成三维新螺旋桨外形包括：根据新的剖面翼型，借助几何造 型软件生成新的螺旋桨三维曲面外形。

可选的，所述数值优化算法可采用智能全局优化算法、代理优化算法、梯度 优化算法。

本发明的有益效果：

1.本发明提供一种螺旋桨气动外形优化设计方法,可以缩短优化设计时间， 提高设计效率。缩短时间的原理为：如前所述，传统优化设计方法在优化过程中， 需要多次计算中间螺旋桨外形的气动性能(这里假定次数为N2，N2一般大余 100)，每次计算都是费时的非定常N-S方程求解(一次所需时间一般大于24小 时)，故优化设计总耗时长(24×N2小时)。本发明提出的方法仅需两次耗时的 非定常N-S方程求解：基准螺旋桨外形和最终设计外形(2×24小时)，而在对 各个剖面进行翼型优化设计时，由于翼型是二维外形，一次N-S方程计算仅需1 分钟左右，在对N1个剖面进行翼型优化设计所需总的计算时间为N2×N1÷60小 时，因此所需计算时间远小于传统优化设计方法。

2.本发明提供一种螺旋桨气动外形优化设计方法，由表1中数据，可以表 明：采用本发明的优化设计方法，得到的设计螺旋桨的拉力系数、功率系数、悬 停效率相比较于基准螺旋桨，都有了明显的提高，本发明的设计螺旋桨气动效率 得到明显提高。

附图说明

图1是现有技术中直接采用非定常N-S方程的螺旋桨优化设计流程示意图；

图2是本发明实施例中采用的基准螺旋桨三维外形示意图；

图3是本发明实施例提供的一种螺旋桨气动外形优化设计方法流程示意图；

图4是本发明实施例中采用的基准螺旋桨剖面翼型示意图；

图5是本发明实施例中剖面翼型(叶素)受力示意图；

图6是本发明实施例中基于代理优化算法的翼型优化设计流程示意图；

图7是采用本发明实施例提供的一种螺旋桨气动外形优化设计方法，得到的 设计螺旋桨气动外形示意图(气动外形不含桨毂，因为桨毂形状不影响气动性 能)；

图8是采用本发明实施例提供的一种螺旋桨气动外形优化设计方法，得到的 设计螺旋桨的桨叶的曲面形状示意图；

图9是采用本发明实施例提供的一种螺旋桨气动外形优化设计方法，得到的 设计螺旋桨各径向位置的翼型形状与基准螺旋桨翼型形状的对比示意图。

附图标记：1-桨毂；2-三维螺旋桨叶片；3-翼型；4-旋转平面；

5-50％桨叶径向位置；6-60％桨叶径向位置；7-70％桨叶径向位置；8-80％桨叶径向位置；9-90％桨叶径向位置；10-100％桨叶径向位置。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解此技术，我们结合附图和具体实施实例 对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例提供一种螺旋桨气动外形优化设计方法，包括如下步骤：

第一步，根据设计指标，采用非定常N-S方法计算出基准螺旋桨外形的气动 性能，如拉力、扭矩、功率、效率等参数。在进行求解时，计算网格可借助于ANSYS ICEM CFD、Pointwise等商业软件来划分，求解器可采用ANSYS FLUENT、CFD++、 自编程序等。

第二步，将基准的三维外形沿着径向取出若干个剖面形状(这里称为翼型或 叶素)，一般剖面的选取从桨叶根部往外50％～100％半径处(例如，50％、60％、70％、 80％、90％、100％半径位置)，桨根附近的翼型可保持不变，这是由于桨根附近相 对气流速度很低，其对螺旋桨整体的气动力贡献可忽略不计，而桨叶外段的速度 高，对整体气动力的贡献大。

第三步，采用数值优化算法分别对各剖面翼型进行气动性能优化设计。这里 数值优化算法可以是智能全局优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法、模拟退 火算法等，也可以是代理优化算法，还可以是梯度优化算法，推荐使用代理优化 算法(效率高、效果好)。在对各剖面翼型进行气动优化设计时，首先根据翼型 所处展向位置、旋转速度、螺旋桨的垂直运动速度等参数获得该翼型的有效来流 马赫数M、来流迎角α、来流雷诺数Re。然后根据三维螺旋桨的设计目标，确 定各剖面二维翼型的优化设计目标。

第四步，将优化后的剖面翼型替换原三维桨叶的剖面翼型，由剖面外形得到 优化后的新的三维桨叶。各剖面翼型优化完成后可得到性能更好的剖面翼型，用 新翼型代替原三维桨叶的翼型。根据新的剖面翼型，借助几何造型软件生成新的 螺旋桨三维曲面外形。

第五步，采用非定常N-S方程求解新三维桨叶外形的气动性能，并与基准螺 旋桨外形的性能进行对比，验证设计方法的有效性。

本发明实施例螺旋桨气动优化设计方法的具体实现过程如下：

(1)确定设计指标

根据飞行器的总体设计要求，确定单个螺旋桨的设计指标。一般要求螺旋桨 的拉力尽可能大，从而产生尽可能大的升力；或者要求螺旋桨产生的气动扭矩尽 可能小，从而消耗更少的电机功率；或者综合考虑拉力和扭矩的影响，要求气动 效率尽可能高。

(2)确定基准螺旋桨外形

在进行螺旋桨的气动外形优化设计时，首先需要指定基准外形，基准外形的 选取可参照与当前设计指标接近的已有螺旋桨，或者根据飞行器的总体设计指 标，初步确定桨叶的直径、叶片数量、叶片实度等参数，在翼型库中选定螺旋桨 翼型，生成三维基准螺旋桨外形。

(3)获得基准外形的气动性能参数

当确定基准螺旋桨外形后，采用求解非定常N-S方程的方法获得基准螺旋桨 外形的气动性能，通常需要获得基准螺旋桨的拉力、扭矩、功率、效率等参数。 非定常N-S方程数值模拟首先需要进行网格划分，这通常需要花费较多的人力成 本；然后进行流场计算，而这通常需要耗费较多的计算资源。

(4)在三维桨叶中分别截取若干剖面的翼型及其压力分布

由于螺旋桨绕桨根做旋转运动，靠近桨根的部分速度低，受空气动力小，靠 近桨尖的部分速度快，受空气动力大(空气动力与速度平方成正比)，故桨叶的 受力主要来自外段(50％以外的片段)。这里以取50％、60％、70％、80％、90％、 100％径向位置处的翼型为例，分别得到6个剖面翼型的表面压力分布。螺旋桨 不同径向位置剖面如图4所示。

(5)对各剖面翼型分别进行气动优化设计

在对各剖面翼型进行翼型优化设计前，需要确定各个翼型的设计来流参数如 马赫数M、迎角α，雷诺数Re，不同剖面翼型的来流参数各不相同。翼型剖面受 力如图5所示。

假设螺旋桨的旋转角速度为Ω，叶素所处的半径为r，螺旋桨随飞行器机体的 垂直速度大小为V_∞，则由于旋转运动产生的速度大小为Ωr，螺旋桨桨盘上所受的 向下的诱导速度V_i，根据动量理论，诱导速度大小可按照公式计算

其中，T是螺旋桨的拉力，ρ是空气密度，R是螺旋桨的半径。若垂直速度V_∞为零， 即处于悬停状态，则

由图5可得该剖面翼型的实际迎角为

翼型的实际速度为

实际雷诺数为

其中，c是翼型的实际弦长，V是翼型的实际速度，μ是空气的粘性系数。

根据图5，叶素对螺旋桨拉力和扭矩的贡献如下

于是，在进行翼型的气动优化设计时，以上述实际速度、实际迎角、实际雷诺数 作为来流状态，以上述C_T和C_Q作为设计指标(目标函数和约束函数)分别对各翼 型进行气动优化设计。根据螺旋桨的设计要求，可进行单目标优化设计，也可进 行多目标优化设计。翼型优化设计算法可采用智能全局优化算法，如遗传算法、 粒子群算法、蚁群算法等，也可采用梯度优化算法，还可采用基于代理模型的优 化算法(代理优化算法)，为了兼顾优化效率和优化质量，推荐使用代理优化算 法。代理优化算法的具体过程可参照相关文献，其简要流程如图6所示。

(6)将优化后的各剖面翼型替换原翼型，生成三维新螺旋桨外形

分别对各剖面翼型进行优化设计后，可得到实际来流状态下气动性能更好的 翼型：拉力更大或扭矩更小或效率更高。将优化后的翼型代替原桨叶剖面翼型， 借助三维造型软件重新构造三维桨叶外形，得到新的优化后的螺旋桨叶片，即设 计螺旋桨；

(7)采用非定常N-S方程求解新螺旋桨的气动性能

对新的优化后的设计螺旋桨外形进行网格划分，进行非定常N-S方程求解，获得最终的气动性能参数，如拉力系数、扭矩系数、悬停效率等。并与基准螺旋桨的 性能进行对比，验证设计方法的有效性。

本发明实施例螺旋桨设计结果如下：

以UIUU的试验桨NR640作为基准螺旋桨进行气动优化设计。该螺旋桨有两 片桨，直径23cm(9寸桨)，剖面形状以低雷诺数螺旋桨翼型Clark-Y翼型作为 基准，从桨根至桨尖，相对厚度、剖面扭转角逐渐减小，剖面弦长先增大后减小。

螺旋桨设计工况为悬停状态，转速5430转/分(rpm)，桨尖马赫数0.192，75％ 径向位置雷诺数64400。优化设计目标为悬停效率的最大化。

螺旋桨空气动力特性的参数主要有拉力系数C_T、扭矩系数C_M、功率系数C_P、 悬停效率FM等，其表达式如下：

其中，T为螺旋桨产生的拉力，M为螺旋桨产生的绕转轴的扭矩，P为螺旋桨产 生的功率；ρ_∞是来流空气密度，R是螺旋桨半径，Ω是螺旋桨的旋转角速度(rad/s)。

本发明实施例优化设计后的螺旋桨的拉力系数为0.103152，功率系数为0.043964，悬停效率为0.6012，悬停效率比基准螺旋桨高8.13％，气动效率得到 明显提高。从而验证了本方法的有效性，参见表1所示。图7给出的是本发明实 施例设计的螺旋桨三维形状。图8给出的是一片桨叶上所有坐标点连成的网格 面。

表1设计螺旋桨与基准螺旋桨的气动参数对比

	拉力系数(Ct)	功率系数(Cp)	悬停效率(FM)
				基准螺旋桨	0.087259	0.036915	0.5560
设计螺旋桨	0.103152	0.043964	0.6012(+8.13％)

图9给出了设计的螺旋桨从50％～100％径向位置处的翼型形状与基准螺旋桨 翼型形状的比较，从图中看出优化设计的螺旋桨桨叶更薄、弯度更大，从而产生 的更大的拉力系数，提高了悬停效率。

下面给出本发明实施例优化设计后的螺旋桨50％、60％、70％、80％、90％、 100％径向位置剖面的(x,y)坐标点：

本发明实施例不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种螺旋桨气动外形优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，确定设计目标：根据飞行器的总体设计要求，确定单个螺旋桨的设计指标，采用非定常N-S方法计算出基准螺旋桨外形的气动性能；

第二步，截取若干剖面的翼型及其压力分布：将基准螺旋桨三维外形沿着径向取出若干个剖面形状(翼型)，剖面的选取从桨叶根部往外50％～100％半径处，桨根附近的翼型保持不变，得到若干个剖面翼型的压力分布；

第三步，对各剖面翼型分别进行气动优化设计：采用数值优化算法对各剖面翼型进行气动优化设计，首先根据翼型所处展向位置、旋转速度、螺旋桨的垂直运动速度，获得该翼型的有效来流马赫数M、来流迎角α、来流雷诺数Re，然后根据三维螺旋桨的设计目标，确定各剖面二维翼型的优化设计目标；

第四步，生成三维新螺旋桨外形：将优化后的剖面翼型替换原三维桨叶的剖面翼型，由剖面外形得到优化后的新的三维桨叶；

第五步，求解新螺旋桨的气动性能：采用非定常N-S方程求解新三维桨叶外形的气动性能，并与基准外形的性能进行对比，验证设计方法的有效性。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在截取若干剖面的翼型之前，还包括确定基准螺旋桨外形：

在进行螺旋桨的气动外形优化设计时，首先需要指定基准螺旋桨的外形，基准螺旋桨的选取参照与当前设计指标接近的已有螺旋桨，或者根据飞行器的总体设计指标，初步确定桨叶的直径、叶片数量、叶片实度，在翼型库中选定螺旋桨翼型，生成三维基准螺旋桨外形。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，在截取若干剖面的翼型之前，还包括获得基准外形的气动性能参数：当确定基准螺旋桨的外形后，采用求解非定常N-S方程的方法获得基准螺旋桨的气动性能。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，螺旋桨外形的气动性能包括：拉力、扭矩、功率、效率。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述生成三维新螺旋桨外形包括：根据新的剖面翼型，借助几何造型软件生成新的螺旋桨三维曲面外形。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述数值优化算法采用智能全局优化算法、代理优化算法、梯度优化算法。