[发明专利]一种考虑三维效应影响下的螺旋桨翼型气动外形设计方法

权利要求书

1.一种考虑三维效应影响下的螺旋桨翼型气动外形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定原始螺旋桨；确定所述原始螺旋桨的翼型设计剖面；对所述原始螺旋桨的翼型设计剖面进行变形，得到一系列翼型族；

步骤2，对于翼型族中的每个翼型，在翼型设计剖面划分形成计算域；其中，所述计算域的边界由上边界、入口边界、下边界和出口边界首尾相接形成；采用以下方法，得到桨尖涡在翼型设计剖面计算域边界的诱导速度分布值：

步骤2.1，建立直角坐标系X₀Y₀Z₀和柱坐标系X₁Y₁Z₁；

其中，对于直角坐标系X₀Y₀Z₀，以桨叶旋转轴为Z₀轴，桨叶旋转轴与翼型设计剖面的交点为原点O₀，翼型设计剖面的圆周速度方向为X₀轴，在翼型设计剖面上，与X₀轴垂直的方向为Y₀轴；X₀Z₀形成的平面为螺旋桨旋转平面；

对于柱坐标系X₁Y₁Z₁，以螺旋桨旋转中心为原点O₁，来流方向为Z₁轴；在螺旋桨旋转平面，以桨叶旋转轴方向为X₁轴，与X₁轴垂直的方向为Y₁轴；

步骤2.2，对于计算域边界上任意一点，其在直角坐标系X₀Y₀Z₀中的坐标为P_i0(x₀,y₀,z₀)，通过直角坐标系到柱坐标系的坐标变换，通过公式(1)(2)(3)，得到其在柱坐标系X₁Y₁Z₁中的坐标为

z₁＝-y₀ (3)

其中：r₀为翼型设计剖面位置的桨叶当地半径；

步骤2.3，在柱坐标系X₁Y₁Z₁下，通过公式(4)得到中间数值l：

其中：

ρ为桨尖涡拖出位置，对于简化桨叶，ρ＝R；R为桨叶半径

θ为：桨尖涡中任意微段涡dθ与原点O₁连线，与X₁轴的夹角；

ω为螺旋浆角速度；

V_∞为无穷远自由来流速度；

步骤2.4，将步骤2.3得到的中间数值l，分别供入公式(5)、公式(6)和公式(7)，得到柱坐标系X₁Y₁Z₁下u方向诱导速度影响系数F_uh、v方向诱导速度影响系数F_vh和w方向诱导速度影响系数F_wh：

其中：

采用数值积分的方式将桨尖涡分为N个微段，将每个微段涡的影响系数dF_uh、dF_vh、dF_wh进行求和，得到整个桨尖涡的诱导速度影响系数，即得到F_uh、F_vh和F_wh；

步骤2.5，对于螺旋桨翼型设计剖面，优化设计为二维环境，所以忽略桨叶展向的诱导速度，经过坐标变换，通过公式(8)和公式(9)，得到直角坐标系X₀Y₀Z₀下桨尖涡在翼型设计剖面计算域边界的诱导速度：

其中：

为直角坐标系X₀Y₀Z₀下桨尖涡在翼型设计剖面计算域边界沿X₀方向的诱导速度；

为直角坐标系X₀Y₀Z₀下桨尖涡在翼型设计剖面计算域边界沿Y₀方向的诱导速度；

Γ为桨尖涡涡强度；

步骤2.6，因此，对于计算域边界上直角坐标系X₀Y₀Z₀任意一点P_i0(x₀,y₀,z₀)，在已知桨尖涡强度Γ时，根据公式(8)和公式(9)，可计算得到桨尖涡对其沿X₀方向的诱导速度和沿Y₀方向的诱导速度

因此，可分别得到桨尖涡对计算域边界上各个点沿X₀方向的诱导速度和沿Y₀方向的诱导速度进而得到桨尖涡在计算域边界沿X₀方向的诱导速度分布和沿Y₀方向的诱导速度分布；

步骤3，直角坐标系X₀Y₀Z₀下，得到计算域边界任意一点P_i0(x₀,y₀,z₀)沿X₀方向的自由来流速度V_i⁰(x)和沿Y₀方向的自由来流速度V_i⁰(y)，进而得到计算域边界沿X₀方向的自由来流速度分布值和沿Y₀方向的自由来流速度分布值；具体方法为：

步骤3.1，根据公式(10)，得到翼型设计剖面的圆周速度V_T：

V_T＝2πr₀n_s (10)

其中：

n_s为螺旋桨绕旋转轴的旋转速度；

步骤3.2，根据公式(11)，得到翼型设计剖面的几何合成速度V：

步骤3.3，根据公式(12)，得到几何入流角度α₁：

步骤3.4，根据公式(13)，得到迎角α：

α＝α₀-α₁ (13)

其中：

迎角α为气流方向与翼型设计剖面弦线之间的夹角；

α₀为翼型设计剖面弦线与螺旋桨旋转平面之间的倾斜角，也称为翼型设计剖面安装角；

步骤3.5，根据公式(14)和公式(15)，分别得到点P_i0(x₀,y₀,z₀)沿X₀方向的自由来流速度V_i⁰(x)和沿Y₀方向的自由来流速度V_i⁰(y)：

V_i⁰(x)＝Vcosα (14)

V_i⁰(y)＝Vsinα (15)

步骤4，对于计算域边界上任意一点P_i0(x₀,y₀,z₀)，将步骤2.5得到的桨尖涡对其沿X₀方向的诱导速度f_Vi(x)和步骤3.5得到的沿X₀方向的自由来流速度V_i⁰(x)叠加，得到沿X₀方向的实际流场速度V_i(x)；将步骤2.5得到的桨尖涡对其沿Y₀方向的诱导速度和步骤3.5得到的沿Y₀方向的自由来流速度V_i⁰(y)叠加，得到沿Y₀方向的实际流场速度V_i(y)；

进而最终得到计算域边界在非均匀来流条件下沿X₀方向的实际流场速度分布值，以及沿Y₀方向的实际流场速度分布值；

步骤5，对于翼型族中的每个翼型，以步骤4确定的沿X₀方向的实际流场速度分布值，以及沿Y₀方向的实际流场速度分布值作为流场的实际速度，进行气动性能数值模拟，得到该翼型对应的气动性能模拟结果；

步骤6，比较各个翼型的气动性能模拟结果，选出气动性能模拟结果最佳的翼型，作为最终得到的非均匀来流条件考虑三维效应的二维翼型。