一种低雷诺数空气螺旋桨外形确定方法与流程

本发明涉及一种临近空间低速飞行器的低雷诺数螺旋桨设计方法，属于螺旋桨设计技术领域。

背景技术：

临近空间(nearspace)低速飞行器(太阳能无人机、高空氢动力无人机)在中继通讯、军事侦查等领域具有很大优越性，但是由于其运行环境为空气稀薄的临近空间，螺旋桨推进是目前最有利的动力方式。临近空间太阳能飞行器一般飞行在20km高空，由于空气密度低，雷诺数很低。常规螺旋桨设计方法中只考虑升力系数和升阻比，而没有考虑低雷诺造成的气动力下降，导致螺旋桨气动效率较低。

为了提高螺旋桨在雷诺数低的临近空间环境的气动效率，有些设计方法是采用特殊设计的低雷诺数翼型，但是这种翼型在常规环境中气动效率较差，难以适用。因此，要使螺旋桨在临近空间环境高效工作，采用针对低雷诺数螺旋桨设计方法是很有现实意义的。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种低雷诺数空气螺旋桨外形确定方法，实现了低雷诺数空气螺旋桨外形的快速高效确定，自动满足拉力，最大效率的满足低雷诺数空气螺旋桨的设计需求。

本发明的技术解决方案是：一种低雷诺数空气螺旋桨外形确定方法，包括步骤如下：

步骤一、确定螺旋桨的基本设计指标，基本设计指标包括：螺旋桨转速ω，螺旋桨桨叶数n，螺旋桨直径2r，螺旋桨拉力t；确定螺旋桨运行环境指标，螺旋桨运行环境指标包括：来流速度v0，运行高度h及对应高度空气密度ρ；其中，n为正整数；

步骤二、计算螺旋桨前进比螺旋桨拉力系数将螺旋桨叶片等分成m份，获得对应的当地半径

其中，j＝1,2,...,m-1，m为正整数；

步骤三、选定螺旋桨桨叶翼型，计算该螺旋桨桨叶翼型在设定的雷诺数初值re0时对应的升力系数cl和升阻比ε曲线，并选择升阻比最大值对应的攻角α0作为桨叶攻角初始值，α0对应的升力系数cl0和升阻比ε0作为螺旋桨设计参数初值；设置初始诱导系数ζ0；

步骤四、计算螺旋桨桨叶当地半径r处的入流角初值ψ0、螺旋桨的轴向诱导因子a、切向诱导因子b、合成气流速度w，计算公式如下：

w＝v0×(1+a)/sinψ0；

步骤五、选定螺旋桨类型，若选定的螺旋桨为涵道螺旋桨，则计算桨叶当地半径r处的弦长c：c＝4πλrζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)；

若选定的螺旋桨为开放式螺旋桨，计算桨叶当地半径r处的弦长c：c＝4πλrgζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)；

其中，桨叶叶尖损失φm-1为步骤四中计算获得的叶尖入流角ψ0中的第m-1个元素；

步骤六、根据步骤五计算得出的合成速度w、弦长c，计算桨叶当地半径r处的雷诺数re：其中，μ是运行高度h处的空气粘度；

步骤七、根据步骤六中计算获得的雷诺数，计算桨叶各半径r处翼型的升阻比ε0、升力系数cl0及对应攻角α0；

步骤八、根据步骤七中中间参量i1、i2，计算诱导系数ζ'：

其中，中间参量i1、i2为：

步骤九、如果ζ'不满足则将ζ'代替ζ0，返回步骤四重新计算；如果则根据最终获得的桨叶攻角α、弦长c及叶尖入流角ψ获得螺旋桨，螺旋桨的安装角分布为b＝ψ+α，方法结束；δ为设定的阈值。

所述步骤三中设定的雷诺数初值re0＝500000。

所述步骤三中设定的初始诱导系数ζ0＝0.1。

所述步骤九中δ＝0.01。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明针对目标环境开展螺旋桨设计，提高了螺旋桨的设计可靠性，是一种面向环境的新设计方法，该方法优化了设计流程，全面考虑各因素对螺旋桨性能的影响，该设计方法自动达到最优气动效率，并满足拉力要求。本方法大大提高了螺旋桨设计效率。

(2)本发明充分利用现有的优良翼型及其气动数据，扩大了螺旋桨的适用范围，避免了重新设计翼型和气动试验的工作，降低了螺旋桨设计成本。

(3)本发明考虑了雷诺数对气动性能的影响，保证了螺旋桨在低雷诺数工况下气动性能的性能，提高了螺旋桨推进系统的可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明一种低雷诺数空气螺旋桨外形确定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出了一种低雷诺数空气螺旋桨外形确定方法，根据螺旋桨工作基本指标和初始条件，设计过程中考虑低雷诺数对桨叶翼型的升力系数、升力阻力系数比值(升阻比)的影响，基于螺旋桨刚性螺旋尾流，通过解析方法确定高效率螺旋桨外形。其步骤如下：

(1)确定螺旋桨的基本设计指标，包括：螺旋桨转速ω，螺旋桨桨叶数n，螺旋桨直径2r，螺旋桨拉力t；

(2)确定螺旋桨运行环境指标，包括：来流速度v0，运行高度h及对应高度空气密度ρ；

(3)根据步骤(1)、步骤(2)中给出的螺旋桨转速、螺旋桨直径、来流速度，计算螺旋桨前进比计算螺旋桨拉力系数将螺旋桨叶片等分成m份，获得对应的当地半径其中，j＝1,2,...,m-1，m为正整数；在本实施例中，把螺旋桨叶片等分成m＝10份，对应当地半径用数组表示为:

r＝(0.15,0.25,0.35,0.45,0.55,0.65,0.75,0.85,0.95)r

(4)选择螺旋桨桨叶翼型，计算翼型在雷诺数re＝500000时的升力系数cl和升阻比ε曲线，选择升阻比最大值对应的攻角α0，α0为桨叶攻角初始值，α0对应的升力系数cl0和升阻比ε0作为螺旋桨设计参数初值。设置初始诱导系数ζ0＝0.1，此处的α0、α0对应的升力系数cl0和升阻比ε0均为与r元素数相等的数组；

(5)采用步骤(3)和步骤(4)的设计参数初值，通过下式计算螺旋桨桨叶半径r处的入流角初值ψ0：

计算螺旋桨的轴向诱导因子：

切向诱导因子：

桨叶当地半径r处的合成气流速度为：

w＝v0×(1+a)/sinψ0

如果是涵道螺旋桨，则当地半径r处的弦长为：

c＝4πλrζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)

如果是开放式螺旋桨，则需要考虑桨叶叶尖损失，按下式计算桨叶叶尖损失：其中，φ9为步骤四中计算获得的叶尖入流角ψ0中的第9个元素；弦长如下式表示：

c＝4πλrgζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)

此处的ψ0、a、b、w、c均为与r同元素数的数组。

(6)根据步骤(5)计算得出的合成速度w、弦长c，计算桨叶当地半径r处的雷诺数re：

式中μ是高度h处的空气粘度。

根据re数计算桨叶各半径r处翼型的升阻比ε0、升力系数cl0及对应攻角α；

建立中间参量：

此处re，cl0，ε0为与r同元素数的数组。

(7)根据步骤(6)里的i1、i2重新计算诱导系数ζ'：

如果ζ'和初值ζ0相差很小，如则根据步骤(4)里的攻角α0、步骤(5)里的弦长c及入流角φ0获得低雷诺数空气螺旋桨，螺旋桨的安装角为b＝ψ0+α0；

(8)如果ζ'不能满足则ζ'代替ζ0，代入到步骤(5)，重新计算入流角φ'、轴向诱导系数a'、切向诱导系数b'、合成速度w'、弦长c'，及r半径处的雷诺数re'，计算re'下桨叶翼型的cl和ε曲线，找出ε'最大值对应的攻角α'及其对应的升力系数cl'，以新选取的cl'和ε'带入步骤(6)，重新计算诱导因子ζ',直到ζ'满足的条件。螺旋桨在r处安装角为β＝φ'+α'，弦长为c'。根据最终获得的桨叶攻角α、弦长c及叶尖入流角φ获得螺旋桨，螺旋桨的安装角为b＝ψ+α，其中b为各半径r处的安装角β的数组，ψ为各半径r处的入流角φ的数组，α为各半径r处的攻角α的数组。至此完成了低雷诺数空气螺旋桨的外形确定。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。