直升機(jī)旋翼流場(chǎng)氣動(dòng)分析-有獎(jiǎng)?wù)魑牡?篇

2017-05-14 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一、背景

隨著高速直升機(jī)的發(fā)展,如何降低直升機(jī)氣動(dòng)阻力和功率消耗越來(lái)越受到人們的重視。直升機(jī)氣動(dòng)阻力主要由機(jī)身、主旋翼槳轂和起落架產(chǎn)生。過(guò)去研究人員多采用風(fēng)洞試驗(yàn)預(yù)測(cè)直升機(jī)阻力特性。而隨著風(fēng)洞試驗(yàn)成本的不斷增加,以及計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展,采用CFD技術(shù)預(yù)測(cè)直升機(jī)的氣動(dòng)阻力已成為研究工作者廣泛采用的一種手段。

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過(guò)去大多數(shù)用戶皆以為PumpLinx只能服務(wù)于泵閥行業(yè),其實(shí)不然,PumpLinx擁有完備的CFD求解功能,加之其對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)械CFD分析的模板優(yōu)勢(shì),因此在進(jìn)行直升機(jī)的氣動(dòng)阻力分析時(shí)也具備良好的適應(yīng)性。

二、螺旋槳機(jī)翼氣動(dòng)干擾分析關(guān)鍵點(diǎn)

利用CFD方法對(duì)直升機(jī)氣動(dòng)干擾進(jìn)行分析相較于理論和實(shí)踐有很多優(yōu)點(diǎn),例如CFD分析可用于分析復(fù)雜的非線性非定常流場(chǎng)的氣動(dòng)模擬,便于操作實(shí)行,可控性強(qiáng),各種邊界條件容易掌控,可以全面考慮影響旋翼效率的各種因素(槳葉形狀、總距角、葉片數(shù)、轉(zhuǎn)向等)。然而,數(shù)值模擬仍然存在一些共性問(wèn)題,主要體現(xiàn)在:

直升機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格模型的建立。對(duì)于旋翼繞流的數(shù)值計(jì)算而言,為了保證粘性附面層內(nèi)的模擬精度,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更容易在物面附近生成,然而對(duì)于直升機(jī)旋翼的不規(guī)則模型來(lái)說(shuō),生成難度大。由于模型中需包含機(jī)體模型,生成整個(gè)計(jì)算域模型的高質(zhì)量網(wǎng)格并合理控制網(wǎng)格數(shù)量難度較大;
計(jì)算規(guī)模非常龐大,計(jì)算效率不高,計(jì)算過(guò)程中易遇到發(fā)散、震蕩以及求解結(jié)果不收斂的問(wèn)題;此外直升機(jī)旋翼的下洗流場(chǎng)是一種非定常流場(chǎng),具有周期脈動(dòng)和時(shí)空分布不均勻的特性,需要采用非定常進(jìn)行計(jì)算分析。而采用非定常計(jì)算對(duì)于直升機(jī)的氣動(dòng)分析計(jì)算效率而言提出了更大的挑戰(zhàn)。

三、PumpLinx直升機(jī)案例介紹

本文主要介紹如何采用PumpLinx對(duì)直升機(jī)進(jìn)行高效的氣動(dòng)模擬。

模型假設(shè)

地面為平面,直升機(jī)距地面3.5m;
直升機(jī)處于懸停狀態(tài);
空氣視為理想氣體;
槳葉直徑約12m,取直升機(jī)外流場(chǎng)圓柱體范圍:直徑約60m,高度25m。

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圖1 計(jì)算域

網(wǎng)格劃分

旋翼區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,充分考慮機(jī)翼的邊界層效應(yīng);
直升機(jī)外流場(chǎng)采用二叉樹(shù)笛卡爾網(wǎng)格,采用多重網(wǎng)格加密;
1天之內(nèi)完成網(wǎng)格建模,網(wǎng)格總數(shù)655萬(wàn);

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圖2 網(wǎng)格模型(體網(wǎng)格655萬(wàn))

模型設(shè)置

采用非定常計(jì)算;
調(diào)用PumpLinx螺旋槳模型,設(shè)置計(jì)算模型及動(dòng)網(wǎng)格,其中速度項(xiàng)采用二階計(jì)算;
湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型;
旋翼轉(zhuǎn)速375rpm。

部分結(jié)果展示

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圖3 旋翼處截面速度分布

旋翼處截面速度分布:旋翼圓周方向形成一個(gè)逐漸衰減的尾跡,速度場(chǎng)關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸呈對(duì)稱(chēng)分布,距離旋轉(zhuǎn)軸越近,速度梯度和速度數(shù)值越小。

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圖4 直升機(jī)漿尖粒子示蹤

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圖5 機(jī)翼上表面壓力分布

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圖6 機(jī)翼下表面壓力分布

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圖7 軸截面速度分布

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圖8 軸截面壓力分布

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圖9 機(jī)翼橫截面速度及壓力分布

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圖10 機(jī)翼速度分布

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圖11 機(jī)身橫截面壓力分布

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圖12 機(jī)身截面速度場(chǎng)分布

旋翼上方的空氣在旋翼作用下收縮下降,空氣通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的旋翼時(shí)流速、流向發(fā)生改變,下洗流場(chǎng)中氣流主要集中分布在旋翼正下方。

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圖13 流場(chǎng)流線分布

上圖顯示,直升機(jī)在低空懸停的初始階段,由于地面效應(yīng)的影響,槳葉附近流場(chǎng)復(fù)雜,直升機(jī)外側(cè)形成明顯的非對(duì)稱(chēng)漩渦,由該渦形成的地面揚(yáng)沙對(duì)直升機(jī)的性能影響極大。

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圖14 機(jī)翼升力預(yù)測(cè)

升力預(yù)測(cè)結(jié)果與用戶提供的數(shù)據(jù)十分吻合。

四、小結(jié)

PumpLinx可以快速建立螺旋槳飛機(jī)的三維分析模型并計(jì)算,計(jì)算過(guò)程穩(wěn)定且高效,前處理及求解過(guò)程快速且高效;
從數(shù)值模擬得到計(jì)算結(jié)果可知,該直升機(jī)流場(chǎng)的壓力、速度、升力、功率等結(jié)果與理論數(shù)據(jù)吻合良好,且與客戶提供的計(jì)算數(shù)據(jù)高度吻合;
整個(gè)非定常計(jì)算過(guò)程約2-3天,計(jì)算效率高且對(duì)硬件要求不高。硬件配置如下:

安裝內(nèi)存:16G

處理器:Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2690v2 @ 3.00GHz 8核并行