一种基于叶素动量源耦合CFD的等效盘方法

一种基于叶素动量源耦合cfd的等效盘方法
技术领域
1.本发明属于航空航天领域，具体的说，是一种基于叶素动量源耦合cfd的等效盘方法，可用于螺旋桨/旋翼流场的研究。


背景技术：

2.螺旋桨/旋翼流场模拟方法作为螺旋桨/旋翼飞行器气动力分析的关键技术，在飞行器气动力特性分析和总体性能评估的过程中发挥着重要作用。随着我国经济和科技的飞速发展，各类螺旋桨/旋翼飞行器，如：中小型固定翼运输机、支线客机、四座/七座机、直升机、旋翼无人机和倾转旋翼机等，不断应用在客运、货运、国防、救援等方面，同时也带来飞行器面临情况下的螺旋桨滑流/旋翼-机身气动干扰分析问题。因此，准确预报螺旋桨/旋翼的流场对于飞行器外形设计、优化、适航取证和任务飞行具有重大意义。
3.在航空航天领域，对于螺旋桨/旋翼流场研究的问题，目前业界采用的主要研究手段为风洞试验和数值模拟。但是，模型试验存在耗时长、人力和经济成本高昂、局部细观物理量(如：压力、速度等)测量困难和等问题。与此相比，随着计算机科学的发展，数值模拟由于其成本低、速度快、结果相对准确、能提供时空域的宏观和细观物理结果等优点，已经开始逐步取代了模型试验，逐步成为了飞行器设计和分析的主要研究手段。常规的螺旋桨/旋翼数值模拟方法需要构建桨叶-桨毂网格模型，并且考虑桨叶高速旋转的工作特性，其网格模型一般采用滑移网格或变形网格技术，从而带来了计算量大和数值计算不稳定等缺点。


技术实现要素：

4.本发明针对目前螺旋桨/旋翼数值模拟方法存在的计算量大和数值计算不稳定的难题，提供了一种基于叶素动量源耦合cfd的等效盘方法，可以简单地植入目前主流的计算流体力学(cfd)求解器和代码中，从而实现螺旋桨/旋翼流场的快速稳定模拟，降低螺旋桨/旋翼飞行器的设计周期和研发成本，满足航空航天领域对于螺旋桨/旋翼流场模拟的需求。
5.本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：
6.一种基于叶素动量源耦合cfd的等效盘方法，包括以下步骤：
7.步骤一、基于叶素理论，将螺旋桨的桨叶沿着径向离散为若干叶素即翼面段；
8.步骤二、根据翼面段的翼型外形，构建翼面段二维翼型的流场仿真模型；
9.步骤三、对翼面段进行受力分析，然后根据翼面段的气动力系数、有效攻角和合速度，计算得到翼面段的升阻力；
10.步骤四、根据螺旋桨的旋转面尺寸，即旋转半径r，绘制叶素等效盘cfd网格；
11.步骤五、将等效盘中相同半径处的体网格认定为一个整体，即圆柱环，计算此圆柱环的体积，得到等效的螺旋桨/旋翼流场结果。
12.在上述技术方案中，步骤一基于叶素理论，将螺旋桨的桨叶沿着径向离散为若干叶素(翼面段)，当前翼面段的编号为i，根据已知螺旋桨的几何参数，得到每个翼面段的翼型、弦长ci、沿着桨叶的径向半径ri、沿着径向的离散厚度dri、几何安装角与扭转角之和
再根据螺旋桨的工作特性，得到翼面段的自由来流速度u
∞
、旋转速度ω和桨叶个数n。
13.步骤二、采用cfd数值方法，构建翼面段二维翼型的流场仿真模型，得到当前翼面段的翼型随着攻角变化的升力c
l
(αi)和阻力系数cd(αi)。
14.进一步，获取翼面段在旋转平面内的速度分量v
yi
和v
zi
，求解翼面段在旋转平面内的切向速度vi′
：
[0015][0016]
进一步，得到翼面段的诱导攻角βi：
[0017][0018]
进一步，得到翼面段的有效合速度vi：
[0019][0020]
进一步，得到翼面的有效攻角αi为：
[0021][0022]
步骤三、根据翼面段的气动力系数、有效攻角和合速度，计算得到翼面段的升阻力：
[0023]
升力为：
[0024][0025]
阻力为：
[0026][0027]
进一步，分析翼面段的受力和速度方向，计算得到翼面段的拉力和扭力：
[0028]
拉力为：
[0029]
dti＝dl
i cos(βi)-dd
i sin(βi)
[0030]
扭力为：
[0031]
dqi＝dl
i sin(βi)+dd
i cos(βi)
[0032]
步骤四、根据螺旋桨的旋转面尺寸，即旋转半径r，建立叶素等效盘cfd计算模型。在此等效盘计算模型中，每个体网格即等效为一个翼面段。
[0033]
获取当前体网格的气流速度(v
xi
、v
yi
、v
zi
)、坐标(xi、yi、zi)和沿轴向的厚度h等特征信息，其中为v
xi
轴向速度，v
yi
和v
zi
为螺旋桨旋转平面的速度。
[0034]
步骤五、将等效盘中相同半径处的体网格认定为一个整体，即圆柱环，得到此圆柱环的体积w为：
[0035]
w＝2πridr
ih[0036]
进一步，根据体网格的坐标和等效盘旋转中心的坐标(y0、z0)，得到当前翼面段等效体网格的方位角：
[0037][0038]
进一步，考虑螺旋桨三维效应的影响，在桨叶的桨尖处存在扰流和失速现象，因此
采用修正系数的方式加入到等效盘模型中，此系数为桨尖损失修正系数f：
[0039][0040]
进一步，得到翼面段对应体网格在笛卡尔坐标系内的等效动量源项
[0041][0042][0043][0044]
进一步，将此翼面段在三个方向的等效动量源项添加到对应的动量方程中，进行cfd数值计算得到等效的螺旋桨/旋翼流场结果。
[0045]
本发明的有益效果：本发明可以简化螺旋桨/旋翼cfd流场模拟过程，避免了构建螺旋桨网格带来的问题，具有计算高效、数值模拟准确、适用性强、易于植入到cfd软件和求解器等优点。
附图说明
[0046]
图1是本发明的叶素动量源耦合cfd等效盘方法流程图。
[0047]
图2是本发明的叶素(翼面段)离散示意图。
[0048]
图3是本发明的翼面段翼型气动力系数随攻角变化的曲线。
[0049]
图4是本发明的翼面段速度和受力示意图。
[0050]
图5是本发明的等效盘翼面段圆柱环和网格示意图。
[0051]
图6是本发明的实施例1的cfd等效盘数值计算模型。
[0052]
图7是本发明的实施例1的cfd等效盘数值计算结果对比。
具体实施方式
[0053]
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
[0054]
如图1所示，一种基于叶素动量源耦合cfd的等效盘方法，包括以下步骤：
[0055]
步骤一、基于叶素理论，将螺旋桨的桨叶沿着径向离散为若干叶素(翼面段)，如图1所示，当前翼面段的编号为i。
[0056]
进一步，已知螺旋桨的几何参数，如图2所示，得到每个翼面段的翼型、弦长ci、沿着桨叶的径向半径ri、沿着径向的离散厚度dri、几何安装角与扭转角之和
[0057]
进一步，根据螺旋桨的工作特性，得到翼面段的自由来流速度u
∞
、旋转速度ω和桨叶个数n。
[0058]
步骤二、根据翼面段的翼型外形，采用cfd数值方法，构建翼面段二维翼型的流场仿真模型，如图3所示，得到当前翼面段的翼型随着攻角变化的升力c
l
(αi)和阻力系数cd(αi)。
[0059]
进一步，如图4所示，对翼面段的气流速度和角度进行分析，获取翼面段在旋转平
面内的速度分量v
yi
和v
zi
，求解翼面段在旋转平面内的切向速度vi′
：
[0060][0061]
进一步，得到翼面段的诱导攻角βi：
[0062][0063]
进一步，得到翼面段的有效合速度vi：
[0064][0065]
进一步，得到翼面的有效攻角αi为：
[0066][0067]
步骤三、如图4所示，对翼面段进行受力分析，然后根据翼面段的气动力系数、有效攻角和合速度，计算得到翼面段的升阻力：
[0068]
升力为：
[0069][0070]
阻力为：
[0071][0072]
进一步，如图4所示，分析翼面段的受力和速度方向，计算得到翼面段的拉力和扭力：
[0073]
拉力为：
[0074]
dti＝dl
i cos(βi)-dd
i sin(βi)
[0075]
扭力为：
[0076]
dqi＝dl
i sin(βi)+dd
i cos(βi)
[0077]
步骤四、如图5所示，根据螺旋桨的旋转面尺寸，即旋转半径r，绘制叶素等效盘cfd网格，采用速度入口和压力出口边界条件。在此等效盘计算模型中，每个体网格即等效为一个翼面段。
[0078]
进一步，获取当前体网格的气流速度(v
xi
、v
yi
、v
zi
)、坐标(xi、yi、zi)和沿轴向的厚度h等特征信息，其中为v
xi
轴向速度，v
yi
和v
zi
为螺旋桨旋转平面的速度。
[0079]
步骤五、将等效盘中相同半径处的体网格认定为一个整体，即圆柱环，如图5所示，得到此圆柱环的体积w为：
[0080]
w＝2πridr
ih[0081]
进一步，根据体网格的坐标和等效盘旋转中心的坐标(y0、z0)，得到当前翼面段等效体网格的方位角：
[0082][0083]
进一步，考虑螺旋桨三维效应的影响，在桨叶的桨尖处存在扰流和失速现象，因此采用修正系数的方式加入到等效盘模型中，此系数为桨尖损失修正系数f：
[0084][0085]
进一步，得到翼面段对应体网格在笛卡尔坐标系内的等效动量源项
[0086][0087][0088][0089]
进一步，将此翼面段在三个方向的等效动量源项添加到对应的动量方程中，进行cfd数值计算得到等效的螺旋桨/旋翼流场结果。
[0090]
实施例1
[0091]
根据以上具体实施方式中的详细步骤，数值模拟nasa-sr3螺旋桨的流场，螺旋桨桨叶采用naca65系列翼型，其翼型的升阻力系数随攻角的变化结果如图3所示。螺旋桨来流马赫数为0.8，采用10.7km高度的大气参数作为压力远场边界条件的参数，提取轴向站位0.8处的速度值，其对比结果如图7所示，从图中可以看出本发明的叶素动量源耦合cfd等效盘方法能准确的模拟螺旋桨/旋翼的流场特性。
[0092]
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。