扇翼流动机理数值模拟研究.pdf
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- 流动 机理 数值 模拟 研究
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扇翼流动机理数值模拟研究 杨康智,段旭鹏 (中航通飞研究院有限公司 总体气动研究室,广东 珠海 ) 摘要:以扇翼的气动特性(高升力)为关注焦点,对扇翼流动的流场结构细节进行了数值模拟研究。 对有推力二 维 超临界翼型进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,并数值模拟了扇翼旋转时 的流场结构。 结果表明,其高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而这种射流正是由叶片旋转带动扇 翼内部流体不断加速喷射得到的。 扇翼内部的流动是复杂的非定常流动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二 者的相互干扰等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当的气动噪声是不可避免的。 将算法应用于扇翼飞行器的 外形设计优化阶段,得到了若干构型的气动性能,为下一步开展的无人机研制工作提供了指导。 关键词:扇翼;高升力;非定常流动 中图分类号:文献标识码:文章编号:桘 ()桘 桘 Numerical Simulation of Fan Wing Cross桘 flow Mechanism 桘 , 桘 (China Aviation Iedustry General Aircraft Institute Ltd Co,ZhuHai ,China) Abstract: 桘 , , 桘 , 桘 , - , 桘 , - 桘 , , , , , , , Key words:桘 ; ; 引言 高升力装置的研发一直是空气动力学领域最重要 的前沿课题之一。 传统的多段翼型已经无法满足人们 对更高升力的要求。 因此,一些新概念的增升装置应 运而生。 最近 提出了扇翼的概念 。 这种装 置以其结构简单、运行稳定、效率较高的特点,迅速吸 引了研究人员的注意。 目前,扇翼已被国内外相关单 位初步应用于无人机、短距起降以及垂直起降等民用 飞行器上 。 本文所关注的扇翼结构主要是由一个横向流动型 风扇(即滚筒型风扇)和一个前缘带有半圆形凹槽的 翼型构成。 使风扇的一半坐落于翼型的凹槽内,其转 轴固定于翼型两侧的端板。 风扇的上表面完全暴露于 空气中,下表面与翼型凹槽内面非接触式紧密结合。 当风扇旋转时,来流空气被高速旋转的叶片从风扇前 部吸入,进入风扇内部加速流动,然后从风扇后部沿着 翼型上表面喷射而出,进而产生了可观的升力和推力。 到目前为止,对扇翼飞行器的进行的研究还为数 不多 。 一些学者通过实验对扇翼的流动进行的研 究表明,这种构型的飞行器失速迎角被大大提高,当提 高转数时,失速迎角也随之提高。 然而,要想对扇翼内 部流场结构进行研究,如果通过实验方法将很难实现。 因为扇翼飞行器的气动特性完全来自于绕高速旋转叶 片的非定常流动。因此,数值模拟扇翼飞行器扰流就 收稿日期: 作者简介:杨康智( ),男,贵州锦屏人,工程师,主要研究方向为飞机气动力特性。 第 卷第 期航 空 计 算 技 术 年 月 成为一种理想的研究方法。 本文采用 对扇翼的流动进行数值模拟。 首 先对有推力二维 超临界翼型(推力 翼型)进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模 拟方法。 然后利用该方法数值模拟了扇翼旋转时的流 场结构,为扇翼流场的流动机理研究提供了有力帮助。 最后根据流场结构特点,对扇翼飞行器的外形改进,得 到了一个升阻比更高的新构型,为下一步即将开展的 无人机研制工作提供指导。 问题描述 由于扇翼飞行器的核心部件就是风扇和机翼的组 合体,而且展弦比大,因此不妨将问题简化为一个扇翼 的二维剖面,如图 所示。 图扇翼飞行器及二维示意图 数值模拟 算法验证 为验证扇翼结构的这种旋转体、固定体相融合的 几何构型的扰流问题非定常数值模拟方法,本文结合 文献提供的数据,对有推力二维 超临界翼型(推力翼型)进行数值模拟,验证和确认了 扇翼流场的数值模拟方法。 计算采用高质量的结构与非结构混合网格,可以 有效捕捉物面附近的速度梯度变化,准确模拟流场的 局部细微结构。 选用 湍流模型,采用非定常计算 方法,基于滑移动网格技术求解 方程。 首先采 用静态计算,即风扇与机翼均固定不动,以来流速度为 边界条件。 大约 次迭代后,将结果作为初场开始非 定常计算。 非定常计算时,使内场(风扇所在圆形区 域)旋转,外场固定,交界面处物理信息的传递采用滑 移动网格技术插值处理。 时间步长等于风扇转动 所用时间。 经验表明,这样做既能保证非定常计算的 稳定性,又能保证一定的时间推进量。 经过大约 步的非定常计算,气动力趋于收敛。 计算发现风扇旋 转起来后,扇翼结构受到的气动力是高频振荡的,因此 本文中所有气动力结果都是时均值。 计算条件:来流速度为 ,迎角为 ,风扇 转速为 。 计算得到的升力、阻力分别为 、 ,文献的结果分别为 、 。可以看到计算结果的升力与阻力与文献结果 符合较好,从压力系数及马赫数云图上看,如图、图 所示,流场结构也是合理的。 扇翼内部的流动是复杂 的,并存在明显的低压区,同时也是气流加速的区域。 在迎角 时,如图 所示,可以看到基本翼型上表面 后缘已出现明显分离,翼型已进入失速状态;而推力翼 型的主要表面均未出现流动分离,风扇对流过翼型上 表面的气流进行强力的抽吸使其加速并附着在翼型表 面,同时将部分气流加速喷出进而使翼型获得了可观 的升力和推力。 因此通过对本算例的计算证明了算法 图推力翼型计算网格及流场结构图 推力翼型压力系数及马赫数云图图基本翼型流线图及马赫数云图 航 空 计 算 技 术第 卷第 期 的正确性和有效性。 扇翼数值模拟 利用上述算法对扇翼结构进行数值模拟。 计算采 用的数模如图 所示,机弦长 ,展长 , 风扇外径 ,共 个叶片。 仍选用高质量的结构 与非结构混合网格,网格单元数约为 个,网格 拓扑结构如图 所示。 同时针对高翼型气动效率低的 问题,作了简单优化,使翼型前缘和后缘降低,到了较 为满意的结果。 计算条件:来流速度为 ,迎角为 ,风扇转 速为 。 通过计算结果的对比发现,低翼型 的气动效率比高翼型要高很多。 低翼型升力为 , 高翼型为 ,提高了约 ,同时发现阻力对叶片 偏角敏感。 偏角 时,阻力为 ;偏角 时,阻 力为 。 时产生了明显的推力,而 时却没 有。 从低翼型的流态结果看,如图 所示,其高升力来 源于固定翼部分上表面高速流动的射流。 射流使上表 面气流速度增大,压力降低,因此升力增大。 而这种射 流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速最终喷 射得到的。 同时扇翼内部的流动是复杂的非定常流 动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干 扰等。 这使得扇翼表面压力以及所受气动力高频振 荡,进而可以预测扇翼飞行器的气动噪声要比固定翼 飞行器大得多。 图 扇翼飞行器计算网格网格图高低两种翼型流场结构图 结束语 本文以扇翼的气动特性为关注焦点,对扇翼流动 的流场结构细节进行了数值模拟研究。 首先对有推力 二维 超临界翼型进行数值模拟,验 证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,然后利用该方 法数值模拟了扇翼旋转时的流场结构。 结果表明,其 高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而 这种射流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速 喷射得到的。 扇翼内部的流动是复杂的非定常流动, 存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干扰 等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当大的气动噪 声是不可避免的。 最后将该算法应用于扇翼飞行器的 外形设计优化阶段,得到了两个构型的气动性能,为下 一步即将开展的无人机研制工作提供了指导。 参考文献: , : : , 桘 桘 , , , - ,: , - ,: 桘 , ,: , , 桘 - , ,: 年 月杨康智 等:扇翼流动机理数值模拟研究展开阅读全文

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