槳葉實度及軸間距對擺線槳氣動特性影響研究

2019-07-09 01:39:10馮旭碧朱清華雷良黃杰

航空工程進展 2019年3期

馮旭碧，朱清華，雷良，黃杰

(南京航空航天大學直升機旋翼動力學國家級重點實驗室，南京 210016)

0 引言

擺線槳是一種新型的全向矢量推力裝置，由于具有操縱性能好、氣動效率高和噪音低的優(yōu)點，將其作為未來垂直起降飛行器、高空長航時無人機、飛艇和艦船等諸多領(lǐng)域的推進/升力系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景[1-3]。而設(shè)計參數(shù)的選擇和氣動性能是影響擺線槳應(yīng)用前景的關(guān)鍵因素，雖然國內(nèi)外已經(jīng)對擺線槳開展了相關(guān)研究，但關(guān)于氣動參數(shù)特性研究的文獻并不多，甚至由于試驗或測量誤差的原因，不同文獻中得出不同的結(jié)論。例如文獻[4]和[5]均通過試驗研究了半徑的影響，但前者指出相同弦長時氣動力隨半徑的變化不大，而后者表明半徑越大氣動力越大。同時，文獻[6]以功率載荷為參照，對翼型厚度、俯仰軸位置及最大俯仰角等部分設(shè)計參數(shù)進行了分析，而對半徑和弦長等參數(shù)未進行研究，并且沒有研究參數(shù)影響的耦合作用。

本文首先研究與實度相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，將半徑、弦長和槳葉數(shù)歸納為實度的影響，總結(jié)實度與單位面積上槳葉載荷的關(guān)系，然后分析擺線槳相互之間的氣動干擾特性，國內(nèi)外學者還未對這方面進行過研究。

1 建模計算

1.1 擺線槳原理

擺線槳主要由支架、偏心控制機構(gòu)及兩片以上的槳葉等構(gòu)成，其三維原理圖如圖1所示，槳葉展向與旋轉(zhuǎn)軸平行，槳葉在繞轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)的同時，槳葉繞變距軸做俯仰振蕩[1]。槳葉槳距角隨方位角的變化，槳葉在底部和頂部時都產(chǎn)生正升力如圖2所示，可以通過改變槳距角幅值或轉(zhuǎn)速控制力的大小，改變偏心裝置的相位角控制力的方向。

圖1 擺線槳原理圖

圖2 槳距角隨方位角的變化

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

采用Fluent的非定常數(shù)值模擬模塊，分析擺線槳的氣動機理和槳葉間干擾。因為擺線槳槳葉為直槳葉，槳葉展向的形狀和運動規(guī)律幾乎一致，所以展向流場變化較小，考慮到計算量和計算時間的效益，將擺線槳簡化為二維網(wǎng)格進行數(shù)值模擬。

擺線槳二維網(wǎng)格示意圖如圖3所示，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)[7-8]，將計算域劃分為：外部靜止域、旋轉(zhuǎn)域和包含槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，為了更好捕捉槳葉附近的流場細節(jié)，在槳葉周圍添加邊界層網(wǎng)格。本文采用適合于求解低速不可壓縮流動的壓力基求解器，文獻[10]表明采用S-A模型和SST均可較好的計算擺線槳的升力，但前者對功率的計算更準確，因此本文選取S-A模型。槳葉槳距角的變化規(guī)律以正弦函數(shù)近似描述，通過用戶自定義函數(shù)(UDF)中的DEFINE_ZONE_MOTION宏實現(xiàn)。

(a) 全局網(wǎng)絡(luò)

(a) 局部網(wǎng)絡(luò)

(a) 附面層網(wǎng)絡(luò)

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

對于非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，需要確定所用網(wǎng)格數(shù)與結(jié)果之間的無關(guān)聯(lián)性，即網(wǎng)格無關(guān)性驗證，本文主要探討計算結(jié)果中豎直拉力的無關(guān)性檢驗。對A，B，C三種網(wǎng)格數(shù)量進行無關(guān)性檢驗，得出的結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

從表1可以看出：網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果具有極大影響，網(wǎng)格數(shù)量低于4.3萬時，計算結(jié)果與試驗值有較大誤差，而當網(wǎng)格數(shù)數(shù)量超過6萬時，模擬結(jié)果變化差異不大。

1.4 數(shù)值模擬方法驗證

為了檢驗本文CFD數(shù)值模擬方法的有效性，以韓國首爾大學的擺線槳靜拉力試驗為算例[6]，該試驗中擺線槳的設(shè)計參數(shù)為：半徑R為0.4 m，弦長c為0.15 m，展長b為0.8 m，最大俯仰角為25°，采用NACA0012翼型。通過CFD計算所得擺線槳的速度云圖和速度流線圖分別如圖4和圖5所示，CFD拉力計算值與試驗值的對比曲線如圖6所示。

圖4 擺線槳速度云圖

圖5 擺線槳流線圖

圖6 拉力計算值與實驗值對比(Nb=6)

從圖6可以看出：二維數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值吻合較好。因此，采用二維非定常數(shù)值模擬方法研究擺線槳的氣動特性和參數(shù)影響是可行的。

2 氣動參數(shù)特性研究

為了更清楚觀察實度對氣動性能的影響規(guī)律，相關(guān)的設(shè)計參數(shù)主要包括半徑、弦長和槳葉數(shù)。擺線槳氣動力系數(shù)以無量綱形式表示為[11]：

(1)

擺線槳實度表示為：

(2)

式中：T為擺線槳產(chǎn)生的氣動力；Ω為角速度；b為擺線槳展長；d為直徑；R為半徑；Nb為槳葉片數(shù)；c為槳葉弦長。

2.1 半徑影響

擺線槳不同半徑時豎直拉力隨轉(zhuǎn)速的變化如圖7所示。

圖7 不同半徑下拉力隨轉(zhuǎn)速變化曲線(Nb=6)

從圖7可以看出：半徑越大，豎直拉力越大，且半徑越大，豎直拉力增加越明顯。槳葉單位面積上載荷(CT/σ)隨轉(zhuǎn)速的變化如圖8所示。

圖8 不同半徑下CT/σ隨轉(zhuǎn)速變化曲線(Nb=6)

從圖8可以看出：與拉力變化一致，半徑越大，槳葉單位面積上載荷越大。

2.2 弦長影響

選取半徑為0.5 m，弦長分別為0.10 m，0.15 m和0.20 m的擺線槳為研究對象，研究槳葉間的干擾特性如圖9～圖10所示。從圖9和10中對比看出：雖然擺線槳產(chǎn)生的拉力隨弦長的增加而增加，但是槳葉單位面積上的載荷反而減小。且由于弦長越大，槳葉間干擾增加，豎直拉力增加效果越不明顯。