不同螺旋桨滑流数值模拟方法对比研究_王维

引言
螺旋桨飞机是依靠螺旋桨旋转将发动机的功率转 化为推进力的飞机， 而螺旋桨的旋转运动会在下游产 生滑流， 使其周围的流场变得非常复杂， 对飞机的气动 特性产生很大影响。 目前， 主要采用两种 CFD 方法模拟螺旋桨滑流， 一种是直接对非定常流场进行数值模拟 ， 另一种是采
［1 － 3 ］ ， 用动量激励盘理论 用一个无厚度的圆盘代替螺 旋桨的作用， 采用定常方法模拟滑流流场。 由于非定
因 且对流场的定常模拟方式极大地缩短了计算时间 ， 此， 激励盘方法在工程应用中具有很大优势。 激励盘 的载荷分布决定了激励盘能否准确模拟螺旋桨滑流 。 激励盘的载荷可以由单独螺旋桨的桨叶载荷给出 ， 但 是， 在复杂构型中， 螺旋桨滑流与短舱、 机翼等部件之 间存在着复杂的干扰作用， 不仅短舱、 机翼的气动特性 发生变化， 螺旋桨桨叶上的载荷也会改变。 因此， 相同 的螺旋桨连接不同的部件时， 相应的桨叶载荷会各不 相同， 基于螺旋桨桨叶载荷建立的激励盘载荷也会不 同， 产生的滑流对飞机各部件的影响也不同 。 本文 主 要 采 用 动 量 激 励 盘 理 论， 求解准定常 RANS 方程， 模拟螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响 。 基于螺旋桨 + 中心体、 螺旋桨 + 短舱、 螺旋桨 + 短舱 +
图1 螺旋桨飞机的几何模型及拓扑结构
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3． 1
算例及分析
非定常螺旋桨流动模拟
本文中激励盘的载荷由构型①、 ②、 ③的非定常流 场中螺旋桨旋转一个周期的桨叶载荷建立 ， 因此， 需要 采用非定常方法对三种构型的流场进行数值模拟 。 其 中， 螺旋桨转速为 1 075 r / min， 对应无量纲角速度 ω = 0． 211 ， 螺旋桨前进比为 λ = 1 ， 自由来流马赫数为 Ma 6 = 0． 210 8 ， 雷诺数为 Re = 4． 91 × 10 ， 攻角 α = － 2° ～ 10° ， 计算的时间步长取 0． 01 。 选择螺旋桨的任意一片桨叶， 设该桨叶在一个周 桨叶旋转到正下 期内旋转到正上方时旋转角 θ 为 0 ° ， 方时 θ 为 180 ° 。提取不同攻角下三种构型在一个周期 内的螺旋桨桨盘面法向载荷和切向载荷， 将其转化为 并 激励盘盘面上的压强增量 Δp 和旋转速度增量 ΔV θ ， 将不同 θ 角时的桨叶载荷进行对比。本文分别选取旋 0 ° 和 10 ° 攻角下三种构型的螺旋桨桨叶 转角为 0 ° 时、 载荷进行对比， 如图 2 。 图中显示了各载荷沿桨盘的 径向分布， 其中横坐标 r / R 为桨叶径向位置与螺旋桨 pc、 pn、 pnwf 分别表示构型 ①、 半径之比， ②、 ③ 的计算 结果， 后面两个数字分别表示攻角 α 和旋转角 θ。 由图 2 可知， 不同构型对应的桨叶载荷基本都是 攻角不同 沿桨根到桨尖先增大后减小。 由图 2 可知，
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航空计算技术
第 42 卷
第5 期
时， 螺旋桨的桨叶载荷各不相同， 而且， 螺旋桨连接不 同部件时， 其桨叶载荷各不相同， 构型②和构型 ③ 所得 的桨叶载荷曲线非常接近， 构型 ① 的桨叶载荷与前两 者的差别较大， 其他攻角下螺旋桨旋转到不同 θ 角时 的情况与此类似， 这里不再赘述。
α = － 2 ° ～ 10 ° 。 图 3 给出了 0° 攻角时， 非定常计算状态下构型 ③ 在某一时刻的表面压力云图及将构型 ③的桨叶载荷加 载到激励盘上时构型④的表面压力云图。从图中可以 看出， 两者机翼表面的压力分布非常相似 ， 都在发动机 短舱右侧 （ 顺航向 ） 出现了较大的低压区。 在激励盘 上加载构型①、 ②的桨叶载荷时的压力云图与图 3 （ b ） 类似， 这里不再列出。
常模拟方法对网格质量要求高且所需的网格量很大 ， 同时计算周期很长， 给工程应用带来不便。 采用激励 盘方法时， 由于模型的简化降低了网格的生成难度 ， 而
收稿日期： 2012 － 07 － 13 作者ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ介： 王
维（ 1987 － ） ， 女， 湖北随州人， 硕士研究生， 主要研究方向为计算流体力学。
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维 等： 不同螺旋桨滑流数值模拟方法对比研究
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翼身组合体三种构型的非定常流场中螺旋桨旋转一个 周期的桨叶载荷建立激励盘模型的载荷 ， 对比分析不 同激励盘载荷对滑流模拟结果的影响 。采用动态面搭 ［4 ］ 接技术 实现非定常模拟中螺旋桨的旋转运动 。并将 三种激励盘方法的计算结果与全机的非定常结果进行 对比， 研究在激励盘上加载单独螺旋桨的桨叶载荷进 行全机构型的螺旋桨滑流模拟的可行性 。
Study on Comparison of Different Numerical Simulation Methods Concerning Propeller Slipstream
WANG Wei， YANG Yong， XIA Zhen- feng （ National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research， Northwestern Polytechnical University， Xi'an 710072 ， China） Abstract： The influence of the propeller slipstream on the aerodynamic performance of the airplane is simulated， by applying the actuator disk theory on solving steady RANS equations． Three different kinds of the actuator disk loads are constructed based on the blade loads for three configurations， namely the isolated propeller with center- body， propeller with nacelle and propeller installed on the wing- body with nacelle． Through the comparison of the aforementioned actuator disk results and the time-averaged results of the unsteady simulation， the conclusion is drawn that the three kinds of actuator disk loads can successfulwe can establish actuator ly simulate the influence of the propeller slipstream on the airplane． Therefore， disk model for the engineering prediction of the propeller slipstream by using the blade loads of the isolated propeller with center- body． Key words： propeller slipstream； actuator disk； blade loads； unsteady simulation
摘 要： 采用动量激励盘理论， 求解准定常 RANS 方程， 模拟螺旋桨滑流对飞机气动 特性 的 影响。 分别 基 于 螺旋桨
+ 中心体、 螺旋桨 + 短舱、 螺旋桨 + 短舱 + 翼身组合体构型的非定常流场模拟得到的桨叶载 荷， 建立 三种不同的 激 励盘载荷。将三种载荷的流场模拟结果与全机非定常模拟的时间平均结果进行对比， 可知三种不同 激 励盘 载 荷 均 能准确地模拟螺旋桨滑流的影响， 因此， 可以通过最简单的螺旋桨 + 中心体构型建立激励盘 模型， 用 于 螺旋桨 滑 流 工程预测。 关键词： 动量激励盘; 螺旋桨滑流; 桨叶载荷; 非定常模拟 中图分类号： V211 文献标识码： A 文章编号： 1671-654X（ 2012 ） 05-0080-04
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1． 1
数值模拟方法
非定常模拟方法 三维积分形式的 N- S 方程为： t
QdV + F·ndS = 0
Ω Ω
（ 1）
T Q =［ e t］ ， F为 其中 Q 为守恒变量矢量， ρ， ρu， ρv， ρw ， Ω 为控制体， Ω 为控制体边界， 黏性和无黏通量矢量，
n 为 Ω 的外法线方向单位矢量。 由于流场数值模拟 基于惯性坐标系， 式（ 1 ） 中不含非惯性项。 采用有限体积法离散上述控制方程， 无粘通量项 采用二阶 Roe 通量差分分裂迎风格式离散， 粘性通量 项采用二阶中心差分格式离散。 采用 S- A 湍流模型 进行湍流计算。计算过程采用 A- F 近似因子化隐式格 采用双时间推进法进行非定常计算。 式进行时间离散， 1． 2 激励盘模拟方法 控制方程和空间离散格式同上述的非定常模拟方 1］的方 法完全一样。 采用隐式时间推进， 采用文献［ 法， 将激励盘前后的压强增量和旋转速度增量作为边 界条件加入到求解程序中， 实现激励盘理论对螺旋桨 滑流的模拟。
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图 4 给出了攻角为 0° 时， 激励盘上分别加载三种 36% 展长、 42% 展长 构型的桨叶载荷， 机翼 15% 展长、
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三个展向站位翼剖面的压强分布及其与非定常状态的 15% 展长处位于短舱与机 时间平均结果对比。 其中， 身之间； 36% 展 长 和 42% 展 长 处 均 位 于 短 舱 右 侧， 36% 展长处滑流影响较大， 42% 展长处滑流影响较小。 图中 dy_pnwf 表示构型③的非定常状态下的时间平均 dis_pc、 dis_pn、 dis_pnwf 表示激励盘所加载 计算结果， 荷分别为构型①、 ②、 ③的桨叶载荷时的结果。 dis_pn、 dis_pnwf 的含 注： 本文以下各图中 dis_pc、 。 义与此相同 由图 4 可知， 在 15% 展长和 36% 展长处， 激励盘 分别加载构型②、 ③ 的桨叶载荷时的压力系数曲线基 本重合， 两者比加载构型 ① 的桨叶载荷更接近非定常 的时间平均计算结果。虽然在激励盘上加载构型 ① 的 桨叶载荷时的模拟结果稍差， 但是它与前两者的差别 非常小， 都 与 非 定 常 流 场 的 时 间 平 均 结 果 很 接 近。 42% 展长处受滑流影响较小， 三种激励盘模拟的压力 系数曲线完全吻合。