桨叶尖削对高空无人机气动性能影响

螺旋桨在临近空间高速运转时,由于工作环境大气物理特性,桨尖区域受空气压缩性影响严重,使螺旋桨气动性能降低。为了改善高空螺旋桨的高速性能,将翼尖修形的思想应用于高空无人机螺旋桨上,分别对螺旋桨桨尖区域进行不同角度的尖削。计算模型应用多参考系模型和周期性边界条件,对不同尖削桨叶运行状态进行模拟并对桨叶气动性能进行计算,根据计算结果分析桨叶尖削对螺旋桨气动性能的影响。研究结果表明：对螺旋桨桨尖区域进行尖削,可以减缓桨尖空气压缩性影响,减小桨尖阻力,进而提升螺旋桨气动性能,且当尖削角度α=70°时,螺旋桨的高速性能最佳,其气动效率相比与原始桨叶提升约5%。     

RANS方法预报对转桨非定常水动力性能研究

对转螺旋桨的非定常激振力直接影响着对转桨的噪声性能及振动特性,准确预报对转桨的非定常性能可以更好地为对转桨设计工作服务。基于计算流体力学(CFD)中雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法,对对转桨非定常水动力性能预报方法进行研究。通过对前后桨区域及交界面处网格精细划分,结合滑移网格特点,考虑每一时间步内旋转角度的对应性,进行合理的计算设置,提高对转桨的非定常性能预报精度。进行了2对对转桨方案的非定常水动力性能数值模拟,与试验数据的比较分析验证了预报方法的准确性和可行性。     

同轴搅拌混合器性能的数值模拟

介绍了由锚式桨和涡轮桨组成的同轴搅拌器,并利用计算流体动力学软件对其进行了数值模拟,工作介质为牛顿流体和非牛顿流体,考虑了3种不同的工作模式:涡轮桨单独旋转、内外桨同向旋转和内外桨反向旋转。通过分析搅拌器内的功率消耗、速度分布、压力分布和剪切速率分布,得出内外桨同向旋转为该同轴搅拌器的最佳操作模式。     

基于点源模型的螺旋桨空化噪声频域预报

以点源模型为基础,将螺旋桨桨叶空化体积等效为旋转单极源,将旋转单极源离散为均匀分布在旋转轨迹上的有限个固定声源,结合边界元方法可以在频域内计算任意边界条件下的螺旋桨空化噪声.以4148螺旋桨为对象,在已知单个桨叶空化体积的条件下,首先基于点源模型计算了单个桨叶的空化噪声,计算结果同Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程计算结果较为相符;然后计算了整桨空化噪声,可见螺旋桨旋转效应对空化噪声的近场声指向性影响较大,对远场声指向性影响可以忽略.     

某型螺旋桨滑流对机翼气动性能影响的数值研究

对某型飞机螺旋桨与机翼巡航构型下的干扰流场进行了非定常流数值模拟,螺旋桨采用四叶桨,螺旋桨直径4.5m,机翼半展长19.32m,飞行速度540km/h,螺旋桨转速1075r/min,前进比λ为1.86.螺旋桨区域采用滑移网格技术,全场网格数为1000万.数值分析了不同迎角下螺旋桨滑流对机翼气动性能的影响规律,结果表明:(1)螺旋桨受到其后机翼的阻塞效应而使拉力改变;(2)在不同迎角下,螺旋桨滑流对机翼的影响规律不同,在较小迎角下机翼的增升效果不明显,但在较大迎角下机翼增升效果明显;(3)不同迎角下,螺旋桨滑流会增加机翼阻力.     

基于动网格技术的机翼动态失速仿真分析

为了研究机翼动态失速的演化机理,通过数学方程模拟动态失速状态下机翼摆动情况,对机翼表面涡量的变化规律进行了分析.首先基于动网格技术,结合机翼运动方程,模拟动态失速演化过程,利用Thin-cut技术生成机翼及其对应翼型的计算网格;然后将剪切应力传输(shear stress transfer,SST) k-ω模型与纳维尔-斯托克(Navier-Stokes,N-S)方程结合为封闭方程组用于翼型进行数值计算,并对计算模型进行了可行性分析;最后利用翼型计算时采用的方法对机翼动态失速过程进行数值求解.研究结果表明:在整个动态失速演化过程中,机翼动态失速气动力性能较翼型更为复杂,不同截面处具有不同的动态失速临界迎角,且存在着不同性质的涡旋变化.研究结果可为大迎角飞行安全训练提供支持.     

非均匀桨结合后掠桨尖的旋翼厚度噪声研究

针对普通直升机存在噪声大的问题,分析了一种将桨叶间距非均匀与桨尖后掠二者相结合的旋翼的厚度噪声。通过FW-H方程的Formulation1A公式计算了该旋翼在不同桨叶间距和桨尖后掠角情况下的厚度噪声。计算结果表明,在桨盘平面内距离桨毂中心3m处,桨尖后掠角度为80°时的厚度噪声约比无后掠的普通旋翼的厚度噪声降低3dB,采用将非均匀桨与桨尖后掠二者相结合的旋翼可以在降低厚度噪声的同时明显减小特征线谱的幅值,此外还可明显改变旋翼在桨盘平面内的指向性。     

基于动态面搭接网格技术的双发螺旋桨数值模拟研究

基于动态面搭接网格技术,生成双发螺旋桨/短舱/机翼构型在三种不同螺旋桨旋转组合下的计算网格,并分别对不同旋转组合下的流场进行了数值模拟,并对比分析了螺旋桨不同旋转组合下的螺旋桨滑流流场结构和螺旋桨滑流对机翼气动力的影响。仿真计算结果表明,三种旋转组合方式中,在0～2度攻角范围内,反对转的升力系数最大;在2～6度攻角范围内,双发螺旋桨对转的升力系数最大;在6度以上攻角时,双发螺旋桨反对转的升力系数最大。     

基于点源模型的螺旋桨负载噪声频域预报

在点源模型基础上,将旋转力源离散为均匀分布在旋转轨迹上的有限个固定偶极源,各偶极源间的时间差转换为对应的相位差,结合边界元方法可以计算任意边界条件下的旋转声源频域负载噪声.以E779A船用侧斜螺旋桨为对象,在稳态流场计算得到验证的基础上,通过瞬态流场数值计算得到了不同时刻螺旋桨表面每个单元对应面力.将旋转面力沿运动轨迹离散后,首先计算了单个桨叶的负载噪声,计算结果同文献值符合较好;然后计算了整桨负载噪声,桨盘面内测点轴频对应的辐射声压最大,轴线方向测点叶频处辐射声压最大,负载噪声在桨轴平面指向性呈类8字形,表现为偶极子声源特性.     

变航态推进器设计及水动力性能分析

为了改善变航态推进器的推进性能,设计了一种将前桨和后桨集成安装的水下变航态推进器.该变航态推进器采用了高速航态前桨和低速航态后桨相结合的方式,通过两个螺旋桨的转速匹配来提高推进性能.使用切割体网格划分方式对流场域进行网格划分,对推进器周围的流场进行网格加密,采用滑移网格实现螺旋桨的旋转.使用雷诺时均-斯托克斯(RANS)方法对变航态推进器的水动力特性进行了分析.从数值模拟结果可以看出:转速匹配有利于水动力性能的提升,但由于存在摩擦阻力,转速匹配不能完全抵消高速螺旋桨引入所带来的水动力性能下降;同时,旋转的前桨有助于降低后桨表面受到的不定常力.     

某型燃气轮机一体化叶盘转子系统动力学特性

以某型燃气轮机转子系统为研究对象,建立了叶盘转子一体化模型,通过子结构法与整体法所求静频结果的比较,验证了子结构法分析计算过程的准确性和高效性.应用子结构法,考虑离心应力的作用,求解了一体化叶盘转子系统在工作转速下的动频,并与传递矩阵法的计算结果进行了比较,分析了叶片对整体模态的影响.建立了不同展弦比下叶盘系统的模型,探讨了在定宽度和定长度情况下,不同叶片展弦比对系统模态的影响变化规律.研究结果表明:考虑叶片对一体化叶盘转子系统离心刚化的作用,使得研究结果更加接近工程实际,叶片展弦比对系统的振动特性存在较大的影响.研究为某型燃气轮机转子的动力学设计提供了理论依据.     

转子叶片撞击瞬态响应分析

以某型航空发动机高压压气机一级转子叶片为模型,采用解析方法,建立了正常工作中的转子叶片受折断叶片撞击时的动力学方程.确定了系统的边界条件,给出了受撞击叶片对冲击载荷响应的解析表达式,从而使得转子叶片受到来自内部折断叶片撞击时的瞬态响应可以被解析地获得.最后,通过一个算例进行了正常工作中的转子叶片受折断叶片撞击时的瞬态响应分析.计算结果表明:当发动机转速为10 000 r/min,撞击位置距叶根0.05 m,撞击时间0.02 s时,该长、宽、厚分别为0.07 m0、.03 m、0.005 m的转子叶片在撞击脉冲力作用下撞击点的最大瞬态位移可达0.002 92 m,不容忽视.     

转子叶片在声波激振作用下的谐响应数值仿真分析

基于有限元理论的预应力谐响应分析方法,利用有限元分析软件ANSYS对转子叶片进行数值仿真分析,探讨当激振声频一定时,声强与转子叶片应力响应之间的关系曲线,以及当声强一定时,激振声频与叶片应力响应之间的关系曲线。通过谐响应数值仿真分析可知,当作用在转子叶片上的声强到达150dB,且声波激振频率在750Hz左右时,转子叶片产生明显的共振现象,叶片的应力明显增大。在设计转子叶片的工况时,应该采取相应的措施以避免在此处产生共振,提高转子叶片寿命,以及安全性能。     

直升机旋翼结冰后三维桨叶气动特性数值分析

针对直升机旋翼桨叶结冰问题,研究了结冰前后三维旋翼桨叶气动特性.基于多参考系模型建立了旋翼桨叶三维结冰数值模拟方法,对其中空气流场计算、水滴撞击特性计算、结冰生成计算和几何模型重构等步骤进行了介绍.以C-T旋翼为模型,计算分析了结冰对旋翼桨叶气动特性的影响.计算结果表明,结冰后旋翼桨叶升力降低、阻力增加,悬停性能下降明显.结冰破坏了桨叶各个截面原有的气动外形,导致涡的产生,使得截面气动特性恶化.     

风扇叶片外物撞击瞬间转子振动响应分析

为研究风扇叶片外物撞击对转子振动的影响,参照某发动机设计搭建了风扇转子试验器,并结合有限元计算和锤击法试验获得了叶片的动静频,开展撞击位置、风扇转速等因素对转子振动特性影响试验。结果表明:风扇叶片遭遇外物撞击瞬间,转子振动频谱中叶片动频附近频率成分幅值变化明显;相比转子轴向位置振动,径向位置振动对外物撞击的响应很敏感且幅值变化明显;随着风扇转速升高,转子振动中叶片动频成分幅值会增大,而转子振动幅值并不一定会增大,振动幅值与撞击叶片编号、撞击位置等因素密切相关。     

基于光纤技术的叶端定时传感器

叶端定时测量是一种新型的在线实时测量叶片振动的有效方法，激光光纤叶端定时传感器是整个测试系统设计的关键，该文研究了叶端定时测量方法，并对应用于高速旋转汽轮机叶片振动在线实时监测的光叶端定时传感器进行了设计研究和试验，研究了一个具有高分辨、大频宽和高信噪比的激光光纤传感器的设计方案，并且得到了实验室验证。     

陆空平台旋翼叶型参数气动性能多目标优化研究

陆空平台兼具旋翼无人机和无人车的特点,对各种室内外复杂作业环境均有较佳的适应性,但不同作业环境对旋翼的升力、悬停效率等气动性能的需求并不一致,单一叶型难以满足这种差异化需求. 针对此问题,基于类函数/形函数方法,以伯恩斯坦多项式对翼型弦长、扭转角和旋翼前缘位置沿径向的分布进行了参数化表述,实现原旋翼叶型的三维参数建模重构,随后采用数值方法进行了关键叶型参数对气动性能的敏感性分析. 计算结果表明,翼尖附近的弦长和扭转角对气动性能影响较大,且弦长和扭转角间存在明显的交互效应. 据此以升力和品质因子为目标,对原旋翼叶型进行了多目标优化设计并进行了试验验证,试验结果表明,高升力叶型的旋翼升力系数提高了13.2%,高品质因子叶型的旋翼品质因子提高了37.8%,基于伯恩斯坦多项式与类函数/形函数方法结合的叶型三维参数化优化方法,能够有效提升旋翼升力或品质因子等气动性能指标.      

风扇叶片结冰对航空发动机不平衡响应影响研究

航空发动机风扇叶片结冰对转子不平衡具有显著的影响;并导致发动机推力的损失。针对风扇叶片结冰对转子不平衡的影响问题,采用结冰软件详细分析了商用航空发动机风扇叶片结冰情况。基于隐式动力学模型研究了风扇叶片结冰引起的整机转子不平衡。通过整机有限元模型研究了风扇叶片结冰对不同支撑轴承载荷和位移的影响;进一步研究了不平衡条件下转子和静子的间隙。研究结果表明风扇叶片结冰质量的最大工况为地面慢车状态,对一号轴承和二号轴承有一定的影响。提出的分析方法可以为风扇叶片防冰设计和验证提供指导。     

转子涡动对涡轮叶片非接触式应力测量精度的影响研究

利用叶尖计时（BTT）技术进行涡轮叶片健康监测时，为了获得叶片的真实应力状态和保证测量的高精度要求，本文考虑了转子涡动对叶片非接触式应力测量（NSMS）精度的影响。首先推导了考虑转子涡动的叶片振动提取算法;并通过建立叶片振动有限元模型，模拟了转子不平衡作用下叶片-转子系统的动力学性能。通过对比考虑涡动和不考虑涡动两种算法提取的叶片振动，得到：不考虑转子涡动时，叶尖振动位移幅值为10μm，速度幅值为1.5 m/s考虑涡动时，叶尖振动位移幅值为6μm，速度幅值为1 m/s。结果表明：不考虑转子涡动时，得到的叶尖振动将会偏大，进而使得计算应力大于实际值，不能表达叶片运转过程中的真实应力状态。本文的研究可为提高涡轮叶片NSMS精度提供依据。     

内置转子换热管强化传热性能研究

概述了转子组合式强化传热装置的强化传热和自清洁原理，实验研究了阶梯对螺旋叶片转子强化传热性能的影响。实验结果表明，在相同的雷诺数条件下，内置阶梯型螺旋叶片转子换热管的努塞尔数及阻力系数较无阶梯的螺旋叶片转子分别高出了7.8%~13.1%和24.1%~33.8%，同时性能评价因子（PEC）明显高于无阶梯的螺旋叶片转子，从而验证了阶梯可明显提高螺旋叶片转子强化传热的综合性能。