項 松，劉遠強

(沈陽航空航天大學 遼寧省通用航空重點實驗室，沈陽 110136)

某型三葉螺旋槳的氣動特性數(shù)值模擬及試驗

項 松，劉遠強

(沈陽航空航天大學 遼寧省通用航空重點實驗室，沈陽 110136)

以某型三葉螺旋槳為研究對象，基于RANS(Reynolds-averaged Naiver-Stokes)方程和SST(Shear Stress Transport)湍流模型的多重參考坐標系MRF(Multiple Reference Frames)方法對該三葉螺旋槳進行準定常數(shù)值模擬和性能計算。通過與試驗結果對比，對三葉螺旋槳不同轉速下的靜態(tài)拉力、扭矩和效率進行了驗證分析，得到拉力偏差值在2%左右，扭矩偏差值在10%左右。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，計算結果與試驗結果吻合良好，可為通航飛機螺旋槳的模擬和設計提供參考。

三葉螺旋槳；氣動性能；數(shù)值模擬；風洞試驗；通用航空

目前國內外文獻主要是采用經(jīng)驗公式的方法進行性能的計算，雖然計算速度快，但是精度不高，而且許多方法對于零風速下的螺旋槳性能預測偏差范圍更大。本文將對三葉通航飛機螺旋槳采用基于雷諾平均NS方程的多重參考坐標系MRF方法對其滑流進行準定常數(shù)值模擬，分析螺旋槳在零風速下的流場特性和相關性能，并按照等前進比原則進行了螺旋槳的靜態(tài)拉力試驗，驗證計算值與試驗值的吻合程度較好，可為今后通航飛機螺旋槳氣動計算提供參考。

1 螺旋槳數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

(1)

式(1)中t為時間項，V為流體微元單元控制體，S為圍繞單元控制體的封閉曲面，Q為守恒變量，H為無黏通量，Hv為黏性通量項和坐標系轉換的添加源項G，其具體求解公式如下：

QT=[ρ,ρu,ρv,ρw,ρE]

(2)

(3)

(4)

(5)

在式(2)～(5)中，Ix,Iy,Iz分別是絕對坐標系下坐標軸方向的單位向量，τij為黏性應力量，ρ,q,qb,u,v,w,E,H,p,ω分別為流體的密度、流體絕對速度、網(wǎng)格速度、絕對速度在旋轉坐標系下的3個分量、總能、總焓、壓力和旋翼的旋轉角速度矢量。f5,g5,h5的表達式如(6)，其中k和T分別為熱傳導系數(shù)和溫度。

(6)

1.2 湍流模型

雖然前列腺等離子電切技術安全性高于普通單極電切，但是絕大多數(shù)前列腺增生患者為高齡人群，且多合并各種基礎疾病。因此，安全有效地使用該技術對確保醫(yī)療安全、提高前列腺增生患者的生活質量具有重要意義。

本文計算采用基于k-ω的SST湍流模型來使平均運動方程封閉以便求解?；趉-ω的SST湍流模型解決了湍流剪切應力的傳輸，同時又在湍流開端和在負壓梯度下產生的氣流分離進行了高度準確的預測，具有較好的普適性。

兩方程SST模型方程可以表示為

(7)

渦粘性系數(shù)可以由下式確定

(8)

湍流生成項Pk，Pω分別定義為

(9)

模型控制方程中的常數(shù)Φ={Cω,σk,σω,β}由下式求得：

Φ=F1Φ1+(1-F1)Φ2

(10)

以下為計算中選取的各擬合常數(shù)的數(shù)值，其中d為到物面的最小距離。

1.3 計算方法及模型

采用體積法對控制方程進行離散化，對流項的離散格式采用高分辨率格式，湍流數(shù)值方程的離散格式也采用高分辨率格式，物理時間步長為0.001s。當殘差小于1×10-7時認為迭代收斂，停止計算。

模型采用直徑1.6m的電動飛機固定槳距的兩葉螺旋槳，采用四面體網(wǎng)格進行劃分旋轉的流場區(qū)域，在物面生成十分之一弦長高度的附面層。網(wǎng)格數(shù)量為530萬，網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 螺旋槳旋轉域網(wǎng)格

靜止的流場域采用六面體的結構網(wǎng)格進行模擬，網(wǎng)格數(shù)量為280萬。兩個流場域的交界面采用流體與流體耦合的形式進行計算。圖2為邊界條件的設置情況，分別為速度入口、壓力出口、壁面。由于已知來流速度，將入口邊界定義為速度入口條件，添加來流速度變量。螺旋槳表面定義為無滑移壁面，出口和四周定義為環(huán)境壓力101 kPa，無壓力梯度的邊界條件。

圖2 流場域及邊界條件

2 數(shù)值模擬計算結果

在各計算狀態(tài)收斂后，采用CFD-POST進行數(shù)據(jù)的后處理。分析轉速為2380RPM時的流場特性。圖3和圖4槳葉分別為槳葉迎、背風表面壓力云圖和槳葉表面極限流線圖。

圖3 槳葉表面壓力云圖

從圖3可以看出螺旋槳迎風面壓力最小值出現(xiàn)在r=0.8～0.9 R的葉素前緣，壓力總體上從槳葉尖部前緣向槳根后緣逐步增加。背風面壓力在r=0.85～0.95 R槳葉后緣較大，整體變化趨勢較為緩和。

圖4 槳葉表面極限流線

從圖4可以看出來流在經(jīng)過螺旋槳表面平滑的流向后緣，整個螺旋槳上下表面的流線分布比較均勻，僅槳尖位置有很小范圍的流線不是相互平行，可以考慮為槳葉尖部形成的槳尖渦誘導了流線的偏轉，由于整個區(qū)域的流線都保持的很好，沒有出現(xiàn)分離，證明高效率螺旋槳的設計方法是可行的。

3 螺旋槳縮比風洞試驗

為了驗證本文數(shù)值模擬方法的準確性，根據(jù)等前進比相似準則[16]，在西北工業(yè)大學NF-3風洞進行了風洞試驗，模型直徑為0.96 m，風洞試驗段寬3.5m、高2.5 m、長12 m，截面為切角矩形，切角為0.6 m。湍流度為0.078%。試驗使用西工大700型六分量盒式天平(編號TP0701)。六分量天平的電壓信號采集由VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)有64個通道，采集速度為100 k/s，采集速度不小于100 kHz。試驗對螺旋槳零風速情況下的拉力、力矩進行了測量。螺旋槳在風洞中的安裝如圖5所示。

圖5 螺旋槳在風洞中

4 結果對比分析

螺旋槳的流場數(shù)值計算比較復雜，影響因素較多，為了更好的對比實驗結果，本文對拉力、力矩與實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析。如圖6所示，隨轉速的增加，螺旋槳的拉力系數(shù)拉力的吻合的差距越小，兩者的差距維持在2%以內。如圖7所示，力矩隨著轉速的增加，差距逐步變大，兩者的差距維持在10%以內。兩個數(shù)據(jù)與試驗基本一致，吻合度較好。

圖6 計算拉力值與試驗對比

圖7 計算扭矩值與試驗對比

5 結論

本文通過基于雷諾平均Navier-Stokes方程的多重參考坐標系MRF方法對螺旋槳滑流進行準定常數(shù)值模擬計算與地面風洞試驗，分析了某型三葉螺旋槳的氣動特性，得出以下結論。

(1)總體來看，該準定常方法與試驗的偏差在10%范圍以內，且差距趨勢基本保持不變，可以為工程提供較為準確的預測和評估。

(2)從流場的云圖及流線等信息可以看出，該方法可以較為準確的評估流場的實際狀況，對于螺旋槳的優(yōu)化設計提供參考。

(3)旋轉域采用非結構網(wǎng)格，靜止域采用結構網(wǎng)格，這種操作可以大大節(jié)省網(wǎng)格的生成時間，對于精度的影響有待進一步的研究。

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(責任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

Aerodynamic numerical and test study of a three-blade propeller

XIANG Song,LIU Yuan-qiang

(Liaoning Key Laboratory of General Aviation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Propeller slipstream and performance of a three-blade propeller were simulated using Multiple Reference Frames (MRF) quasi-steady method based on the Reynolds-averaged Naiver-Stokes(RANS)equation and Shear Stress Transport (SST) turbulence model.Thrust,torque and efficiency of the three-blade propellers caused by simulation were analyzed under different rotational speed compared to the results of tests.Deviation value of the tension is around 2%,and deviation value of the torque is about 10%.It is found by comparison that calculation results are in good agreement with those obtained from the test results,which can provide the guidance for propeller design applications.

three-blade propeller;aerodynamic performance;numerical simulation;wind tunnel test;general aviation

2016-12-29

遼寧省教育廳科研項目(項目編號：L201622)；沈陽市科技計劃項目(項目編號：F16-205-1-07)；遼寧省科學技術計劃(項目編號：2015020167)；遼寧省百千萬人才工程項目(項目編號：2014921048)

項松(1978-)，男，遼寧燈塔人，高級工程師，主要研究方向：高效率螺旋槳設計，E-mail:xs74342@sina.com。

2095-1248(2017)03-0032-05

V211.44

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.03.004