CN117131608B - 一种基于最佳环量分布的激励盘方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于最佳环量分布的激励盘方法，建立GoldStein载荷分布模型，划分激励盘CFD数值模拟网格，获取体网格的坐标信息，将其转换到桨盘坐标系下，计算激励盘区域中半径处的体网格的体积力和半径处翼面段对应的体网格的方位角，进而得到该翼面段对应体网格在直角坐标系下的动量源项，将此体网格在xyz三个方向上的动量源项添加到对应的动量方程中，进行CFD数值求解计算得到等效的螺旋桨或旋翼对流场的干扰效果。该方法可以实现对旋翼/螺旋桨等旋转机械的前期设计阶段进行快速稳定模拟，减小旋翼/螺旋桨等航空飞行器的研发设计周期和成本，满足航空航天领域中对于旋翼/螺旋桨等旋转机械的数值模拟要求。

Description

一种基于最佳环量分布的激励盘方法
技术领域
本发明涉及航空航天领域，具体是一种基于最佳环量分布的激励盘方法。
背景技术
旋翼/螺旋桨作为目前航空飞行器的主要动力装置具有诸多独特的优势，应用前景可谓十分广阔，因此对旋翼/螺旋桨飞机流场的快速准确分析对前期的设计制造及后续的优化设计显得尤为重要。随着我国经济社会的高速发展，促进了对各类旋翼/螺旋桨飞行器的需求，同时也对飞行器旋翼/螺旋桨滑流-机身/机翼之间的干扰问题研究提出了更高的要求。因此，快速准确预测出旋翼/螺旋桨滑流对流场的干扰作用对于航空飞行器的外形设计、优化具有重要意义。
对于旋翼/螺旋桨流场的研究，主要的技术手段可分为风洞试验和数值模拟。风洞试验存在试验周期长、成本高以及普适性差等缺点。与之相比，数值模拟具有人力和经济成本低、效率高、局部物理量容易获取等优点，已经成为航空飞行器设计分析的主要研究手段。常用的数值模拟手段可分为完整桨叶模型和无桨叶模型，完整桨叶模型需要绘制桨叶的网格模型，存在计算量大、计算周期长、数值求解不稳定和对网格划分技术要求严苛等缺点。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于最佳环量（GoldStein载荷）分布的激励盘方法，
本发明提供了一种基于最佳环量分布的激励盘方法，包括以下步骤：
步骤一、根据实体桨叶模型测量出桨叶直径，桨毂直径以及桨盘厚度D；
步骤二、求解螺旋桨在某一转速及来流速度下的拉力T和扭矩M，建立最佳环量GoldStein载荷分布模型；
激励盘区域上总的轴向体积力常数为：；
激励盘区域上总的切向体积力常数为：；
其中，RP为桨叶的半径、RH为桨毂半径；
步骤三、根据螺旋桨的桨叶半径RP以及桨盘厚度D,划分激励盘CFD数值模拟网格，相同半径处的体网格等效为一个翼面段，获取体网格的坐标信息（xi,yi,zi），将其转换到桨盘坐标系下为ri；
步骤四、计算激励盘区域中半径ri处的体网格的体积力和半径ri处翼面段对应的体网格的方位角。
所述半径ri处的体网格的体积力计算方法如下：
半径ri处的轴向体积力为：;
半径ri处的切向体积力为：;
其中，相对半径。
根据体网格的坐标（yi，zi）和激励盘旋转中心坐标（y0，z0），得到半径ri处翼面段对应的体网格的方位角为：；
得到该翼面段对应体网格在直角坐标系下的动量源项：
x方向为：；
y方向为：；
z方向为：。
将此体网格在xyz三个方向上的动量源项添加到对应的动量方程中，进行CFD数值求解计算得到等效的螺旋桨或旋翼对流场的干扰效果
本发明有益效果在于：
1、该方法可以轻松植入现有的主流计算流体力学（CFD）解算器和代码中，从而实现对旋翼/螺旋桨等旋转机械的前期设计阶段进行快速稳定模拟，减小旋翼/螺旋桨等航空飞行器的研发设计周期和成本，满足航空航天领域中对于旋翼/螺旋桨等旋转机械的数值模拟要求。
2、采用无实体桨叶模型对旋翼/螺旋桨流场进行CFD数值模拟，避免了划分旋翼/螺旋桨网格所带来的时间成本，从而大大简化了流场数值模拟过程，具有前期数据储备量小、计算效率高、数值模拟精确度高、普适性强、稳定性高等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的基于GoldStein分布的激励盘方法流程图。
图2是本发明的实施例1采用的计算构型。
图3是本发明的实施例1的激励盘处网格离散示意图。
图4是本发明的实施例1所得到的轴向/切向体积力沿半径方向的分布模型。
图5是本发明的实施例1的激励盘CFD数值计算模型及计算域设置。
图6是本发明的实施例1的构型表面压力系数分布。
图7是本发明的实施例1的构型对称面处马赫数分布。
图8是本发明的实施例1 的激励盘CFD数值计算结果对比。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于GoldStein载荷分布的激励盘方法，其步骤如下：
步骤一如图2所示，根据螺旋桨的几何参数，得到桨叶的旋转半径RP、桨毂半径RH以及桨盘厚度D。
步骤二根据螺旋桨的工作状况，采用CFD或实验方法得到螺旋桨的拉力T和扭力M，进而建立GoldStein载荷分布模型：
激励盘区域上总的轴向体积力常数为：；
激励盘区域上总的切向体积力常数为：。
步骤三根据螺旋桨的桨叶半径RP以及桨盘厚度D,建立激励盘CFD数值计算模型，在此激励盘数值计算模型中，相同半径处的体网格等效为一个翼面段，获取体网格的坐标信息（xi,yi,zi），将其转换到桨盘坐标系下为ri，如图3所示。
步骤四根据体网格在桨盘坐标系下的半径ri，进一步得到该处体网格的体积力，沿半径分布模型如图4所示：
半径ri处的轴向体积力为：;
半径ri处的切向体积力为：;
其中，相对半径。
进一步根据体网格的坐标（yi，zi）和激励盘旋转中心坐标（y0，z0），得到半径ri处翼面段对应的体网格的方位角为：；
得到该翼面段对应体网格在直角坐标系下的动量源项：
x方向为：；
y方向为：；
z方向为：。
最后将此体网格在xyz三个方向上的动量源项添加到对应的动量方程中，进行CFD数值求解计算即可得到等效的螺旋桨/旋翼对流场的干扰效果。
本发明一种具体实施方式如下：
实施例1
根据上述实施方式中的具体步骤，数值模拟螺旋桨-短舱-机翼构型的流场分布，模型如图2所示，螺旋桨和短舱位于机翼前部且处于中轴线上。螺旋桨为顺时针旋转（顺航向），自由来流马赫数为0.147，来流迎角为0°，螺旋桨拉力系数为0.23，采用海平面高度的大气模型作为计算域边界条件的参数。图5是本发明的实施例1的激励盘CFD数值计算模型及计算域设置。机翼表面压力系数分布如图6所示，机翼左侧上表面因处于螺旋桨滑流的上洗影响区，出现较为明显的低压区。模型对称面的马赫数分布如图7所示，经过激励盘后方区域流场得到加速，流管出现明显的收缩，这与真实桨盘的效果相同。截取Y=-0.13m、Y=-0.195m和Y=-0.34m占位处的机翼截面，得到的压力系数与实验值的对比如图8所示，从图中可以看出本发明的基于GoldStein分布的激励盘模型方法与实验数据的吻合度较高，能反映出滑流的流场特性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于最佳环量分布的激励盘方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据实体桨叶模型测量出桨叶直径，桨毂直径以及桨盘厚度D；
步骤二、求解螺旋桨在某一转速及来流速度下的拉力T和扭矩M，建立GoldStein载荷分布模型；
激励盘区域上总的轴向体积力常数为：；
激励盘区域上总的切向体积力常数为：；
其中，RP为桨叶的半径、RH为桨毂半径；
步骤三、根据螺旋桨的桨叶半径RP以及桨盘厚度D,划分激励盘CFD数值模拟网格，相同半径处的体网格等效为一个翼面段，获取体网格的坐标信息（xi,yi,zi），将其转换到桨盘坐标系下为ri；
步骤四、计算激励盘区域中半径ri处的体网格的体积力和半径ri处翼面段对应的体网格的方位角，进而得到该翼面段对应体网格在直角坐标系下的动量源项，将此体网格在xyz三个方向上的动量源项添加到对应的动量方程中，进行CFD数值求解计算得到等效的螺旋桨或旋翼对流场的干扰效果。
2.根据权利要求1所述的基于最佳环量分布的激励盘方法，其特征在于：步骤四所述半径ri处的体网格的体积力计算方法如下：
半径ri处的轴向体积力为：;
半径ri处的切向体积力为：;
其中，相对半径。
3.根据权利要求1或2所述的基于最佳环量分布的激励盘方法，其特征在于：所述步骤四中，根据体网格的坐标（yi，zi）和激励盘旋转中心坐标（y0,z0），得到半径ri处翼面段对应的体网格的方位角为：；
得到该翼面段对应体网格在直角坐标系下的动量源项：
x方向为：；
y方向为：；
z方向为：。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117556548B (zh) * 2024-01-03 2024-05-14 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种适用任意网格面的桨盘载荷基础点自动求取方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USRE41398E1 (en) * 2000-04-10 2010-06-29 Cortana Corporation Design of viscoelastic coatings to reduce turbulent friction drag
CN105069184A (zh) * 2015-07-13 2015-11-18 中国科学院过程工程研究所 一种基于浸入边界法的搅拌反应釜模拟方法
EP3612845A1 (de) * 2017-04-19 2020-02-26 Technische Universität Wien Verfahren zur kontaktlosen bestimmung von strömungsparametern
CN112041227A (zh) * 2018-04-25 2020-12-04 B·A·西利 超静音螺旋桨系统
CN112199782A (zh) * 2020-11-02 2021-01-08 西北工业大学太仓长三角研究院 一种考虑相互干扰的对转螺旋桨快速设计方法
CN114169103A (zh) * 2021-12-10 2022-03-11 桂林航天工业学院 一种基于大桨盘载荷工况的螺旋桨建模方法及系统
CN115544667A (zh) * 2022-10-31 2022-12-30 南京航空航天大学 一种基于叶素动量源耦合cfd的等效盘方法
CN115577453A (zh) * 2022-10-24 2023-01-06 航天时代飞鹏有限公司 一种变距螺旋桨气动设计方法、装置及系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8921523B2 (en) * 2007-12-11 2014-12-30 Glaxo Group Limited Humanized anti-beta-amyloid antibodies

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USRE41398E1 (en) * 2000-04-10 2010-06-29 Cortana Corporation Design of viscoelastic coatings to reduce turbulent friction drag
CN105069184A (zh) * 2015-07-13 2015-11-18 中国科学院过程工程研究所 一种基于浸入边界法的搅拌反应釜模拟方法
EP3612845A1 (de) * 2017-04-19 2020-02-26 Technische Universität Wien Verfahren zur kontaktlosen bestimmung von strömungsparametern
CN112041227A (zh) * 2018-04-25 2020-12-04 B·A·西利 超静音螺旋桨系统
CN112199782A (zh) * 2020-11-02 2021-01-08 西北工业大学太仓长三角研究院 一种考虑相互干扰的对转螺旋桨快速设计方法
CN114169103A (zh) * 2021-12-10 2022-03-11 桂林航天工业学院 一种基于大桨盘载荷工况的螺旋桨建模方法及系统
CN115577453A (zh) * 2022-10-24 2023-01-06 航天时代飞鹏有限公司 一种变距螺旋桨气动设计方法、装置及系统
CN115544667A (zh) * 2022-10-31 2022-12-30 南京航空航天大学 一种基于叶素动量源耦合cfd的等效盘方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A numerical investigation into the influence of bio-inspired leading-edge tubercles on the hydrodynamic performance of a benchmark ducted propeller;Callum Stark;《Ocean Engineering》;第237卷;1-6 *
基于改进体积力法的导管螺旋桨水动力性能数值研究;王浩天;《中国舰船研究》;第18卷(第4期);186-196 *

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