攻角對螺旋槳非定常特性的影響分析

2019-03-05 08:58:34曾卓雄張永祺

上海電力大學學報 2019年1期

曾卓雄, 張永祺, 吳清

(1.上海電力學院能源與機械工程學院, 上海 200090;2.南昌航空大學飛行器工程學院, 江西南昌 330063)

近年來,通用航空產業快速發展,而飛機的發展始終伴隨著螺旋槳的深入應用,因此研究螺旋槳的氣動特性具有重要意義。從螺旋槳分析方法的發展歷程來看,螺旋槳的氣動特性分析方法主要有動量理論、葉素理論、渦流理論、實驗技術及數值模擬方法等。數值模擬方法的發展又可以分為以工程應用為主的激勵盤理論和以理論研究為主的非定常方法。激勵盤理論是采用無厚度的圓盤來代替螺旋槳。文獻[1-3]對該方法做了較深入的研究應用,但無法真實模擬出槳葉上的流場變化和非定常問題,如單片槳葉氣動力的周期性變化。非定常方法則能夠解決這一問題,ROOSEENBOOM E W M等人[4]和STRUERMER A W[5]分別應用該方法分析了滑流對機翼的干擾作用和螺旋槳氣動力的非定常變化;高飛飛[6]分析了螺旋槳轉速的變化對其非定常特性的影響規律;梁偉等人[7]研究了自由入流速度的變化對螺旋槳非定常特性的影響規律。本文基于螺旋槳所受氣流攻角的連續變化,詳細分析了螺旋槳的非定常變化規律,以期為螺旋槳飛機的設計提供參考。

1 計算模型和網格生成

1.1 計算模型

本文所用的計算模型是一個“螺旋槳+短艙”構型,槳平面直徑D=0.5 m,如圖1所示。

圖1 螺旋槳幾何模型

1.2 網格劃分

圖2為短艙對稱平面上的網格分布。

圖2 短艙對稱平面網格分布

將整個計算域劃分為靜止域和旋轉域,兩個區域之間的數據交換采用滑移網格技術來實現。對計算域進行結構化網格劃分時,為保持兩片槳葉周圍網格的一致性,應先對其中一片槳葉區域進行劃分,然后通過旋轉得到整個旋轉域內的網格。

2 數值模擬方法

通過求解非定常三維可壓縮的雷諾平均納維 - 斯托克斯方程組來獲取計算的數值解,引入Spalart-Allmaras湍流模型[8]以封閉方程組。遠場邊界為壓力遠場,計算構型邊界為壁面;空間離散是基于有限體積法,時間離散是基于時間推進法,離散格式均為二階;求解方法為基于壓力耦合方程組的半隱式方法。

螺旋槳運動非定常模擬的關鍵點是滑移網格技術的應用。滑移網格技術是在旋轉參考坐標系和混合平面法的基礎上發展而來的[9]。滑移網格模型允許相鄰網格之間相對滑動,因此網格面不需要在分界面上排列,滑移網格技術的關鍵是計算流進每個網格分界面的兩個非一致的分界面區域。二維網格分界面如圖3所示[9]。分界面區域由A-B面、B-C面、D-E面、E-F面組成,交叉處產生a-d面、d-b面、b-e面等。在兩個單元區域重疊處產生d-b面、b-e面、e-c面而組成內部區域,剩余的a-d面和c-f面成對形成周期性區域。例如,計算分界面流入4單元的流量時,用d-b面和b-e面代替D-E面,并從1單元和3單元各自傳遞信息到4單元。

圖3 二維網格分界面示意

在進行信息傳遞時應滿足守恒型積分方程

式中:t——時間;

V——任意控制體;

ρ——空氣密度;

φ——通用標量;

u——速度矢量;

ug——網格運動速度;

S——控制體的面積;

Γ——擴散系數;

Sφ——φ的源項。

3 計算結果與分析

計算參數如表1所示[10]。螺旋槳每轉動5°為一個時間步,即Δt=0.000 175 s。同時,為了保證收斂,計算完成了螺旋槳的5個完全轉動圈。

表1 計算參數

3.1 計算驗證

首先對螺旋槳的方位角進行定義:當槳葉正對y軸正方向時,方位角ψ=0°,并沿著旋轉方向逐漸增加,如圖4所示。葉片在旋轉一圈的過程中經歷了向下運動和向上運動的過程。

圖4 螺旋槳方位角示意

在方位角0°～360°內,當攻角α分別為0°或10°時,螺旋槳拉力系數CT,升力系數CY,側向力系數CZ的變化曲線如圖5所示。該曲線的變化與文獻[5]中所論述的發展過程很相似,由此可以說明該計算方法的合理性。

圖5 兩種攻角下的槳葉力系數曲線

3.2 螺旋槳及各單獨葉片的拉力隨攻角的變化

槳的時均拉力隨攻角的變化曲線如圖6所示。

圖6 槳的時均拉力隨攻角的變化

由圖6可以看出,當自由流速和轉速不變時,流向槳葉的攻角的逐漸增加會使得槳的時均拉力FT,ave隨之增大。例如,攻角為12°與攻角為0°時相比,拉力增加了1.37 N,占攻角為0°時拉力的9.28%。另外,由于兩葉片相距180°,可忽略葉片之間的相互干擾,因此葉片1的拉力FT,b1和葉片2的拉力FT,b2的曲線完全重合,且其總和正好等于整個螺旋槳的拉力FT。

與攻角為12°時的拉力增量相比,不同攻角時拉力的相對增量及其占12°時增量的百分比如表2所示。

由表2可知,隨著攻角的增大,拉力的相對增量占12°時增量的比重也在增大,也就是說,攻角的增加會使得拉力增量的增幅變大。

不同攻角時,葉片和螺旋槳的拉力分別如圖7和圖8所示。葉素當地攻角隨自由入流攻角的變化如圖9所示。α1和α2為自由入流攻角,α1,i和α2,i為葉素當地攻角。由圖7和圖8可知,當攻角α=0°時,在方位角0°～360°內,FT,b1,FT,b2,FT幾乎不發生變化,呈一條平直線。這是因為當來流作用于每片槳葉時,對于葉片的葉素而言,繞過槳葉的流動具有軸對稱性,入流的速度方向和大小始終是相同的,因此不會引起氣動力的變化。而當攻角非零時,入流的變化會使拉力呈現正弦曲線變化。

表2 不同攻角時拉力的相對增量及其占比

圖7 不同攻角時葉片的拉力

圖8 不同攻角時螺旋槳的拉力

圖7中,隨著攻角的增大,槳葉在向下運動時,拉力會逐漸增大;向上運動時,拉力會逐漸減小。這是因為向下運動時,攻角逐漸增大,使得葉片葉素的當地入流攻角增大了,如圖9(a)所示。α2>α1使得α2,i>α1,i;向上運動時,葉片葉素的當地入流攻角則減小了,如圖9(b)所示,α2>α1使得α2,i<α1,i。

值得注意的是,利用葉素理論對槳葉向上運動時的葉片葉素進行分析時,在當前計算條件下,攻角為12.5°是當地入流攻角變化的分界點。當攻角從0°→12.5°變化時,其當地入流攻角是逐漸減小的,當攻角大于12.5°時,當地入流攻角則會逐漸增大,因此這也是在研究中攻角選擇為0°～12°的原因。

另外,由圖8可以看出,該駝峰曲線的幅值在相同方位角內是隨攻角的增大而增加的,這與圖6的時均結果相呼應。

圖9 葉素當地攻角隨自由入流攻角的變化

3.3 螺旋槳軸向速度場隨攻角的變化

為了分析螺旋槳的軸向速度場隨攻角的變化,此處選取時刻t=0.063 s,槳葉0.75R處前后一段距離(X為0.3～1.5 m)內的軸向速度,結果如圖10所示。由圖10可以看出,隨著攻角的增大,槳葉前端軸向速度會略微增大,增量最大值不超過自由入流速度的1.5%;而在攻角較小時(如攻角為3°),槳葉后端軸向速度的變化量仍然是微量的,增量最大值不超過自由入流速度的2%。但在攻角較大時(如攻角為10°),從短艙后端開始,軸向速度會逐漸減小而趨于自由入流速度,變化量可以達到自由入流速度的10.4%。在其他時刻下,攻角的變化對螺旋槳軸向速度場存在類似的規律。圖11為該時刻不同攻角時螺旋槳前后流場的速度分布。