螺旋桨∕大柔性机翼静气动弹性快速分析方法.pdf

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1、2015年1月北京航空航天大学学报January2015第4l卷第1期JournalofBeljlngUnlversityofAeronauticsandAstmnauticsV01．41No．1http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0025螺旋桨／大柔性机翼静气动弹性快速分析方法谢长川‘，张利娟，刘焱，杨超(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：旋转的螺旋桨滑流掠过

2、机翼将使机翼的气动特性发生改变，在高空超长航时无人机的设计中有必要对大柔性机翼气动弹性问题的螺旋桨滑流影响进行分析．运用Prandtl修正的动量叶素理论分析螺旋桨滑流及面内载荷；采用兰金涡核模拟滑流对机翼的诱导速度；采用三维升力线方法计算机翼定常气动力，利用曲面样条插值方法解决结构／气动耦合问题，并结合非线性有限元静力学计算方法，建立了螺旋桨滑流及面内载荷作用下大柔性机翼静气动弹性问题的快速迭代求解方法．以某大展弦比螺旋桨机翼为例，采用文中所建立方法对其静气动弹性特性进行计算研究．结果表明，旋转

3、的滑流改变了机翼绕流当地攻角，从而影响了机翼气动力和变形分布，且在小前进比时影响更大．所建立的分析方法简便高效，在初步设计阶段有较好的应用前景翼绕流当地攻角，从而影响了机翼气动力和变形分布，且在小前进比时影响更大．所建立的分析方法简便高效，在初步设计阶段有较好的应用前景．关键词：螺旋桨；柔性机翼；滑流；前进比；静气动弹性中图分类号：V224；TB553文献标识码：A文章编号：1001-5965(2015)01-0147旬7超长航时的无人机，由于其续航能力的要求，加之燃料动力在低速中空或高高空时效

4、率低的原因，这类飞机一般采用高效太阳能为电动螺旋桨提供动力以保障超长甚至永久续航能力．采用螺旋桨推进系统的高空超长航时无人机，一方面由于具有大展弦比、柔性大的特点，这类飞机在正常飞行情况下就会产生显著的弹性变形，几何非线性气动弹性问题突出⋯；另一方面，由于柔性机翼翼载荷较低，可以预见螺旋桨滑流对机翼的气动弹性将产生强烈干扰．针对几何非线性气动弹性问题，Patil等¨41建立了考虑失速特性的梁式机翼模型，采用动力学线化方法研究了几何非线性效应对单独机翼静、动气动弹性行为的影响；谢长川等采用推广的片

5、条理论¨刮及三维升力线理论H1对金属单梁式机翼进行了非线性静气动弹性变形计算，并采用线化方法预测了颤振临界速度，并通过风洞试验验证了计算；Palacios和Cesnik采用计算结构力学(CSD)与计算流体力学(CFD)耦合计算的方法研究了柔性机翼的非线性静气动弹性响应问题旧1．针对螺旋桨滑流问题，Prandtl等建立了叶素动量理论，对螺旋桨气动特性进行了较为合理的分析"o；Weir将涡格法应用于螺旋桨滑流的分析，在无黏不可压定常流动假设下对螺旋桨滑流及其与机翼的相互干扰进行分析¨⋯；Agosti

6、nelli等采用叶素理论和CFD方法对螺旋桨诱导速度及载荷进行较为详尽的分析，并分析了螺旋桨滑流与机翼的气动干扰⋯1．近些年国内外学者多采用“等效盘”模型或全桨叶建模的CFD方法对该问题进行研究¨2-15]．从研究现状来看，针对柔性机翼几何非线性气动弹性研究中并未考虑螺旋桨滑流的影响，而针对螺旋桨滑流的研究又大多忽略了机翼的弹性；收稿日期：2014-01．15；录用13期：2014-04-22；网络出版时间：2014-05—2209：33网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／

7、10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0025．html+通讯作者：谢长川(1976～)，男，陕西西安人，讲师，xiechangc@163．com，主要研究方向为气动弹性Bl胃格式：谢长越，张剩娲，刘鬣，等．螺旋桨／大柔性机翼静气动弹性快速分析方法t】]．北京航空航天大学学报，2015．41(1)：147．153．XieCC．ZhangLj．LiuY．eta1．Aeroelasticityquickanalysismethodofverypropeller／flexiblew

8、ingsystemLji．Jour-nalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(J)：147—153(inChinese)．148北京航空航天大学学报Christian的研究虽然考虑了机翼的柔性，但其计算依赖于大量来自CFD计算及风洞实验的数据，对于理论分析及工程设计的指导意义并不大；CFD方法虽然能够提供高精度的流场分析，但它不能提供桨叶攻角、滑流诱导速度等原理性的数据，而且计算效率低．因此适用于大变形的“螺旋桨／大柔性