[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有效

专利信息
申请号: 202110119565.1 申请日: 2021-01-28
公开(公告)号: CN112926148B 公开(公告)日: 2023-02-03
发明(设计)人: 陈炳臻;高永卫;张永旭;魏斌斌;胡豹 申请(专利权)人: 西北工业大学
主分类号: G06F30/17 分类号: G06F30/17;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
代理公司: 北京市盛峰律师事务所 11337 代理人: 席小东
地址: 710072 *** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 一种 考虑 三维 效应 影响 螺旋桨 气动 外形 设计 方法
【说明书】:

发明提供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,包括:对原始螺旋桨的翼型设计剖面进行变形,得到一系列翼型族;对于翼型族中的每个翼型,得到桨尖涡在计算域边界的诱导速度分布值;得到自由来流速度分布值;将诱导速度分布值和自由来流速度分布值叠加,得到实际流场速度;对于翼型族中的每个翼型,以实际流场速度分布值作为实际速度,进行气动性能数值模拟,选出气动性能模拟结果最佳的翼型,作为非均匀来流条件下考虑三维效应的二维翼型优化设计结果。本发明在二维翼型设计阶段便引入螺旋桨三维特性,考虑了桨尖涡的影响,在保证有较好优化效果的同时,大大节省了设计周期,提高了设计效率。

技术领域

本发明属于翼型设计技术领域,具体涉及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。

背景技术

航空螺旋桨是一种将发动机输出动力转化成为推力/拉力的动力装置,由于采用发动机加螺旋桨的动力单元形式,能够显著降低油耗,其在航空领域占有重要地位。

据不完全统计,当前国外有45余种主要支线客机,其中螺旋桨飞机就有38种,约占88%,约2500架,占主要支线客机总量的70%。另外,在农林飞机方面,世界范围内约有2.6万多架,几乎全部采用螺旋桨动力。另外,螺旋桨在通用航空、教练机、军用运输机、预警机、侦察机及地效飞行器方面占比也很大,螺旋桨目前仍在航空领域发挥着重要作用。

传统的螺旋桨翼型设计方法都是基于动量理论、叶素理论、片条理论以及涡流理论等。这些理论经过多年的发展,不断地完善和成熟,但是目前的螺旋桨翼型的设计仍然采用二维设计与三维优化的模式,二维设计中并不考虑展向流动,忽略了涡流的干扰。

刘瑞涛提出对螺旋桨进行二维初始设计,然后通过求解三维N-S方程确定桨叶各个翼型设计剖面的气动性能,并根据设定的载荷分布进行剖面迎角调整,以达到目标载荷分布的螺旋桨设计方法。但利用数值计算方法对于翼型设计和优化虽然提高了设计精度,但设计周期长,工作量较大。

石碧亮等人对船用螺旋桨进行了设计,利用升力面理论,通过给定三维边界条件,与二维计算结果进行比较,进而修改二维剖面模型,多次迭代直到符合要求。但有文献指出,分布涡和偶极子会产生垂直于涡矢量的切向速度,升力面方法忽略了这种效应,使压力分布误差很大。

苏玉民在设计螺旋桨的时候,先设计指定压力分布的二维剖面,直接把这个二维剖面应用到三维螺旋桨,然后考虑到三维效应,采用经验方法把螺距角作一定修改,设计结果与目标仍有一定差距。

由此可见,目前螺旋桨翼型设计方法,普遍具有设计周期长,工作量较大以及设计精度低的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷,本发明提供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,可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下:

本发明提供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,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

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