螺旋桨滑流与机翼气动干扰的非定常数值模拟.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnaut．caSinicaJuly252011VoI．32No．71195—1201lSSN1000．6893CN”．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhl‘xb@buaa．edu．cn文章编号：l000—6893(2011)07—1195—07螺旋桨滑流与机翼气动干扰的非定常数值模拟夏贞锋，杨永*西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室，陕西西安710072摘要：基于动态面搭接网格，求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟螺旋桨滑流与机翼的干扰

2、流动。分别对3种构型，即：单独螺旋桨+短舱构型、螺旋桨+短舱+机翼构型以及短舱+机翼构型进行流场数值模拟，对比分析了机翼对螺旋桨滑流流动结构的干扰，在滑流作用下机翼气动特性的改变以及机翼对螺旋桨桨叶气动力的影响。模拟结果表明：机翼的出现破坏了螺旋桨滑流原有的周期性，改变了其涡量分布，并且在滑流区尤其是翼根附近产生非常复杂的干扰流场；旋转的滑流改变了机翼绕流的当地迎角，从而影响机翼的气动特性，且在小前进比时影响更大。在螺旋桨一个旋转周期内机翼阻力呈现正弦状周期性变化；机翼的存在导致单片桨叶拉力略微增大，并在一个旋转周期内出现两次波动。关

3、键词：螺旋桨；机翼；滑流，非定常，动态面搭接网格；干扰中图分类号：V211．3文献标识码：A螺旋桨发动机具有低速飞行拉力大、推进效率高和经济性好等优点，因此，目前在民用和中短程军用运输机领域仍占有不可替代的地位[1]。然而，螺旋桨滑流与机翼等气动部件之间复杂的相互干扰作用，对螺旋桨飞机的气动布局设计和性能分析造成了很大的难题[2。3]。螺旋桨与机翼之间相对运动的特点，对数值模拟提出了能够处理多物体相对运动并进行非定常计算的更高要求[4]。为了避开这些，国内外发展了多种工程估算方法，如建立等效盘模型代替螺旋桨的作用[5]，采用面元法[6

4、]等来模拟滑流对机翼气动特性的影响。然而，螺旋桨滑流与机翼之间的干扰作用是相当复杂的。一方面，滑流与机翼绕流叠加后的流场十分复杂；另一方面，螺旋桨滑流与机翼之间的干扰作用是相互的。不仅机翼的气动特性发生改变，螺旋桨桨叶上的气动力也会受到影响。因此，试图更准确地分析及评估螺旋桨飞机的复杂气动特性，尤其是其非定常特性，必须解决模拟螺旋桨与机翼之间相对运动的难题。德国国家航空航天研究院(DLR)的Stu—ermer等[34]采用嵌套网格实现了对螺旋桨滑流流动的模拟。法国国家宇航研究局(ONERA)的Bousquet等[73采用面搭接网格求解

5、Euler方程对螺旋桨运输机周围流动进行模拟。与工程估算方法相比，采用非定常模拟方法[8]可以了解螺旋桨滑流与机翼干扰流场复杂的流场结构，明确螺旋桨滑流的非定常效应对机翼气动性能的影响。此外，计入黏性效应可以更真实地模拟干扰的影响‘引。本文基于动态面搭接网格[1¨1

6、，采用有限体积法在多块结构化网格上离散求解非定常雷诺平均Navier．Stokes方程进行滑流干扰的有黏流动收稿日期：2010·11．02：退修日期：2011—01．14；录用日期：2011-D2-28；网络出版时间：2011—03—1613：32：28网络出版地址：ww

7、w．cnI‘i．∞t／kcms／deta¨／11．1929．V．20110316．1332．003．hImID0l：CNKl：”-1929／V．20110316．1332．003*通讯作者．Tel．：029．88491124E-ma¨：yy锄g@nwpu．e山．∞孳l用籀武I夏建锋。杨束j螺旋桨滑漶与机翼气动f抗的菲定常数值模揪￡J]．航空学报t2011．32(7)：¨95-1201．x

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12、casinI-∞．2011．32(7)；¨95-1201．航空学报JuIy252011VOI．32No．7模拟。分别对单独螺旋桨+短舱构型、螺旋桨+短舱+机翼构型以及短舱+机翼构型进行数值模拟，对比分析了机翼对螺旋桨滑流流动结构的干扰、螺旋桨滑流对机翼气动特性的改变以及机翼的出现对螺旋桨桨叶气动力的影响。1计算网格选取一个六叶螺旋桨、轴对称短舱及剖面为对称翼型无扭转机翼为计算模型。螺旋桨的对称轴与短舱的对称轴重合，并位于机翼的对称平面内。图1给出了螺旋桨+短舱+机翼构型的网格拓扑

13、结构及剖面网格，网格为多块面搭接结构化网格。图1中螺旋桨周围的圆柱形网格拓扑为动态旋转网格部分。单独螺旋桨+短舱构型的网格拓扑结构与图1类似，螺旋桨周围旋转网格部分相同。图2是没有螺旋桨作用的短舱+机翼构型的计算模型与网