CN110020491B - 一种螺旋桨与发动机混合维数仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种螺旋桨与发动机混合维数仿真方法，涉及数值仿真方法。针对螺旋桨与发动机的数值仿真现状，提出了一种将螺旋桨一维及三维数值仿真与发动机一维性能分析相结合的混合维数仿真方法，通过构建螺旋桨与发动机的流量及功率平衡两个平衡方程，实现三维螺旋桨及一维发动机的混合维数仿真。将螺旋桨的三维数值仿真与发动机的一维总体性能仿真相结合，相比于传统的一维螺旋桨与发动机气动特性仿真，可实现螺旋桨对发动机的气动稳定性分析，可在互相迭代的过程中得到更为准确的螺旋桨与发动机数值仿真结果，避免了在进行螺旋桨与发动机一体化整机试验时造成的人力、物力以及经济、时间上的不必要的损耗。

Description

一种螺旋桨与发动机混合维数仿真方法
技术领域
本发明涉及数值仿真方法，尤其是涉及一种螺旋桨与发动机混合维数仿真方法。
背景技术
涡轮螺旋桨(简称涡桨)发动机是一种主要依靠螺旋桨产生拉力或推力驱动飞机的航空动力装置，适合中等飞行速度(400～800km/h)的飞机使用。与航空活塞式发动机相比，涡桨发动机具有功重比大、迎风面积小、振动小等优点，特别是随着飞行高度的增加，其性能更为优越；与涡轮喷气和涡扇发动机相比，它又具有耗油率低、起飞推力大等优点。由于涡桨发动机具有技术成熟，可靠性高，耗油率低的优势，目前世界上多数支线飞机、通用航空飞机和我国研制的几乎所有民用飞机，尤其是我国的多数无人机均采用涡桨发动机作为推进动力。
现代涡桨发动机一个典型的特点是桨叶拉力通过改变桨距角进行调节。桨距角调节过程中，为维持桨叶转速不变，桨叶所需的功率也随之变化，发动机为保证动力涡轮输出功率与桨叶所需功率匹配，燃气发生器转速会相应地进行调整，发动机进口压力、流量等参数也随之变化。发动机进口压力、流量等参数变化，将导致螺旋桨特性的改变，螺旋桨所需功率随之改变，进气道实际捕捉面积将发生变化，可能产生溢流现象，因此，螺旋桨与发动机两者工作状态之间相互耦合，存在强烈的气动干扰。([1]刘沛清.空气螺旋桨理论及其应用[M].北京航空航天大学出版社,2006；[2]陈荣钱,王旭,尤延铖.短舱对螺旋桨滑流影响的IDDES数值模拟[J].航空学报,2016,37(6))
目前，在数值仿真研究方面，考虑到发动机现阶段只能开展一维总体性能分析，因其针对螺旋桨/发动机的气动干扰问题，其主要解决途径为两种方式：①将螺旋桨一维气动特性与一维发动机总体性能分析相结合，从一维分析角度开展气动干扰的研究，但由于螺旋桨尾迹存在明显的三维特征，三维流动带来的压力、温度空间畸变特性不能在一维分析中得以体现；②将三维螺旋桨数值仿真与一维发动机总体性能相结合，通过分析发动机进口截面的流场特征，实现螺旋桨对发动机性能及稳定性的影响分析，但目前尚未考虑发动机状态变化对螺旋桨三维仿真的影响分析。
发明内容
本发明的目的旨在提供通过构建螺旋桨与发动机的流量及功率平衡两个方程，实现螺旋桨的三维数值仿真结果与发动机一维总体性能仿真结果之间的相互迭代，并得到更为准确的螺旋桨与发动机数值仿真结果的一种螺旋桨与发动机混合维数仿真方法。
本发明包括以下步骤：
1)针对螺旋桨的桨距角及桨叶转速状态，采用螺旋桨一维气动估算方法预估螺旋桨功率需求及发动机进口截面的总压；
2)基于发动机一维总体性能分析程序，根据螺旋桨预估功率及发动机进口截面的总压，开展发动机一维总体性能仿真，保证发动机输出功率满足螺旋桨预估功率需求；
3)基于发动机一维总体性能仿真得到的发动机进口截面流量特性，将发动机流量代入三维螺旋桨发动机进口边界条件，开展在该发动机流量状态下的螺旋桨特性三维仿真；
4)对比三维螺旋桨及一维发动机总体性能仿真的流量及功率结果，以螺旋桨所需功率与发动机输出功率平衡、三维进气道出口流量与发动机进口流量平衡为约束条件，通过微调发动机的转速特性，调节发动机的输出功率及流量，最终实现螺旋桨与发动机的功率及流量平衡，完成三维螺旋桨及一维发动机的混合维数仿真。
本发明针对螺旋桨与发动机的数值仿真现状，提出了一种将螺旋桨一维及三维数值仿真与发动机一维性能分析相结合的混合维数仿真方法，通过构建螺旋桨与发动机的流量及功率平衡两个平衡方程，实现三维螺旋桨及一维发动机的混合维数仿真。
本发明的优点在于：将螺旋桨的三维数值仿真与发动机的一维总体性能仿真相结合，相比于传统的一维螺旋桨与发动机气动特性仿真，可实现螺旋桨对发动机的气动稳定性分析，可在互相迭代的过程中得到更为准确的螺旋桨与发动机数值仿真结果，避免了在进行螺旋桨与发动机一体化整机试验时造成的人力、物力以及经济、时间上的不必要的损耗。
附图说明
图1是本发明的螺旋桨与发动机混合维数仿真方法的流程图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明实施主要关注于如何将螺旋桨的三维数值仿真与发动机的一维总体性能仿真相结合，将螺旋桨和发动机的仿真结果相互迭代，从而得到更为准确的螺旋桨/发动机仿真结果。与单独的螺旋桨仿真或单独的发动机仿真相比，螺旋桨/发动机混合维数仿真方法能更为准确地计算出螺旋桨/发动机的性能参数。
图1给出本发明的螺旋桨与发动机混合维数仿真方法的流程图。
具体实施步骤如下：
(1)螺旋桨一维特性估算。针对某一螺旋桨在特定桨距角以及桨叶转速的条件下，运用螺旋桨一维估算方法预估得到螺旋桨所需要的功率P0及发动机进口总压σ1。
(2)根据估算的到的螺旋桨所需要的功率P0及发动机进口总压σ1，考虑到螺旋桨减速器及传动轴的机械效率ε，得到涡桨发动机应输出功率P1＝P0/ε。
(3)发动机一维总体性能仿真。基于发动机一维总体性能分析程序，根据涡桨发动机应输出功率P1及发动机进口截面总压σ1，开展发动机一维总体性能仿真，通过调整发动机转速n1，保证发动机输出功率为P1，得到发动机进口截面的流量m1。
(4)螺旋桨三维数值仿真。根据步骤(3)得到的涡桨发动机进口截面的流量m1以及压力参数σ1，将该流量及压力参数代入三维螺旋桨仿真中的发动机进口截面，开展螺旋桨的三维数值仿真，得到三维螺旋桨仿真所需的功率P′2，发动机输出功率P2＝P′2/ε及进气道出口截面的流量m2和压力参数σ2。
(5)对比三维螺旋桨数值仿真结果以及一维发动机总体性能仿真结果，判断功率、流量等参数是否达到平衡，具体为对比P1与P2、m1与m2、σ1与σ2，若P1与P2、m1与m2、σ1与σ2的差值小于一般工程上可接受的0.5％，则认为螺旋桨/发动机混合维数仿真结束，否则调整涡桨发动机的转速n1为n2，保证发动机输出功率为P2并重复步骤(3)、(4)直至P1与P2、m1与m2、σ1与σ2之间的小于0.5％。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims (1)

1.一种螺旋桨与发动机混合维数仿真方法，其特征在于包括以下步骤：
1)针对螺旋桨的桨距角及桨叶转速状态，采用螺旋桨一维气动估算方法预估螺旋桨功率需求及发动机进口截面的总压；
2)基于发动机一维总体性能分析程序，根据螺旋桨预估功率及发动机进口截面的总压，开展发动机一维总体性能仿真，保证发动机输出功率满足螺旋桨预估功率需求；
3)基于发动机一维总体性能仿真得到的发动机进口截面流量特性，将发动机流量代入三维螺旋桨发动机进口边界条件，开展在该发动机流量状态下的螺旋桨特性三维仿真；
4)对比三维螺旋桨及一维发动机总体性能仿真的流量及功率结果，以螺旋桨所需功率与发动机输出功率平衡、三维进气道出口流量与发动机进口流量平衡为约束条件，通过微调发动机的转速特性，调节发动机的输出功率及流量，最终实现螺旋桨与发动机的功率及流量平衡，完成三维螺旋桨及一维发动机的混合维数仿真。
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