文档介绍：该【一种新型的螺旋桨滑流激励盘模型的研究方法 】是由【碎碎念的折木】上传分享，文档一共【10】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【一种新型的螺旋桨滑流激励盘模型的研究方法 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。一种型的螺旋桨滑流鼓励盘模型的争论方法
段义乾;史爱明
【摘 要】Based on momentum theory and the results of numerical simulation with full propeller blade modeling, a new actuator disk modeling of airplane propeller is presented. Sections 1 and 2 of the full paper explain our approach mentioned in the tittle, which we believe is new and effective and whose core consists of; (1) the full propeller blade modeling is used to numerically simulate propeller slipstream; (2 ) the pressure jump of propeller disk is got from the results of the numerical simulation and a pressure jump curve is obtained; (3 ) the actuator disk model with the pressure jump curve is constructed to numerically simulate propeller slipstream. Setion 2 also evaluates our approach; the simulation results, presented in Figs. 9 and 10, and their analysis show preliminarily that the actuator disk model can indeed numerically simulate effectively the main characteristics of propeller slipstream.%,,,,文中所建立的鼓励盘模型能够模拟出螺旋桨滑流的主要流场特征.
【期刊名称】《西北工业大学学报》
【年(卷),期】2025(030)006
【总页数】6 页(P841-846)
【关键词】螺旋桨滑流;完整桨叶模型;鼓励盘;压差;N-S 方程
【作 者】段义乾;史爱明
【作者单位】西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点试验室,陕西西安710072;西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点试验室,陕西西安 710072
【正文语种】中 文
【中图分类】
螺旋桨可以将发动机的功率转化为飞机的推动力，由于涡轮螺旋桨发动机在低亚声速飞行时具有拉力大、推动效率高、经济性好等特点，使得其在运输机领域具有重要的地位。争论螺旋桨滑流效应并推测其对飞机气动特性的影响始终是螺旋桨飞机设计中的一个重要课题，国内外学者在该领域做了大量争论工作［1-7］。
自 19 世纪以来，人们就不断尝试着用各种理论和方法来探究螺旋桨滑流的机理， 其中包括动量理论、叶素理论、涡流理论以及各种 CFD 方法。从 20 世纪 80 年月起，计算流体力学(CFD)方法被应用于螺旋桨滑流流场的计算。围绕螺旋桨的动力
学建模渐渐进展出了“鼓励盘”的概念来实现螺旋桨滑流的模拟，如左岁寒等［ 4］ 建立的鼓励盘模型中使用动量理论得到桨盘压差分布，何辉等［5］建立的鼓励盘
模型中的压差分布则使用阅历曲线，李博等［6］鼓励盘模型中承受叶素理论得到桨盘压差分布。这些模型基于不同的理论，都有肯定程度的简化，鼓励盘模型使用的压差分布曲线都能在肯定程度上模拟螺旋桨滑流效应，但至今还没有一种通用的
鼓励盘模型，尤其是压差曲线的准确性有待提高。
本文承受 CFD 数值模拟方法对单独螺旋桨模型进展了计算。在得到与试验值较吻合的完整桨叶模型计算结果的根底上，结合动量理论进展出一种鼓励盘模型，对单桨滑流流场进展数值模拟。鼓励盘模型网格数量不到完整桨叶模型的 1/20，且网格质量有所提高，大幅度提高了计算效率。将计算结果与试验值进展了比较，结果说明本文方法具有可行性和正确性，这对于工程应用具有重要的指导意义和应用价值。
完整桨叶模型数值模拟方法
完整桨叶模型指在桨叶四周划分贴体网格来模拟螺旋桨旋转流场的真实状况。
非构造化网格生成
螺旋桨围着桨毂中心作高速旋转，为了有效地模拟此类存在边界相对运动的问题， 可以将计算区域划分成 2 个区域，即旋转区和静止区。将模型中的桨毂从桨叶前方截断，这样截断面前部的螺旋桨桨叶和桨毂被划入旋转区子域，截断面后面的桨毂划入静止区。旋转区域包含 6 片桨叶和桨毂，在计算中桨叶和桨毂随着旋转区域一起旋转;静止区域包含了截断面之后的桨毂局部以及远场域，在计算中静止区域保持静止。承受运动对接网格，不同子域网格之间是面面搭接关系，不同子域网格之间通过对接面关系进展插值计算保证面通量守恒。
为模拟旋转桨叶四周的细致流淌，包括捕获桨叶四周的激波，分析桨尖涡的形成过程等，需要加密每片桨叶四周网格，将大局部网格点集中于桨叶四周。旋转区子域网格单元数量为 2 190 075 个，总网格单元数到达 3 891 263 个。
数值计算方法
本文将单独螺旋桨计算流场分为旋转区和静止区，承受运动对接的非构造化网格以及 SST 湍流模型，承受格心格式的有限体积积分法来分区求解非定常 N-S 方程。
计算结果与分析
本文承受单独螺旋桨计算模型进展计算争论，取定雷诺数为 ×106，螺旋桨转速为 1 075 rad/min，来流速度由螺旋桨的前进比 λ 确定。为和试验值比照 λ 的值分别取为 、、、、、、、、，计算了单桨的拉力系数 Ct、功率系数 Cp 等参数，并与试验数据和参考资料［9］中的计算值进展了比照和分析。其中
上式中 v 为来流速度，单位(m·s－1);ns 为螺旋桨转速，单位(rad/s);D 为螺旋桨桨盘直径，单位(m);ρ 为当地空气密度，单位(kg/m3);T 为螺旋桨拉力，单位(N);P 为螺旋桨功率，单位(W)。
图 1 螺旋桨拉力系数
计算结果如图 1、图 2 所示。可见本文计算结果与试验数据吻合很好，说明完整桨叶模型可以模拟螺旋桨滑流流场的真实状况。
图 2 螺旋桨功率系数
鼓励盘理论数值模拟方法
鼓励盘理论是将螺旋桨桨叶旋转运动所扫过的区域假想为一个没有厚度的圆盘，该圆盘前后流场与螺旋桨桨叶前后流场主要流淌参数保持全都，而无视桨叶四周的细致流淌特征。该方法由于承受几何外形简洁的圆盘模型替代几何外形简单的桨叶模型，用围绕桨盘的网格替代桨叶的贴体网格，能够大大地减小网格的生成难度和数量，并提高网格质量，从而有效节约计算时间，并能保证肯定的计算精度，有效地提高计算效率。
本文承受动量理论结合完整桨叶模型数值模拟结果的方法，由完整桨叶模型数值模 拟结果确定桨盘前后压力差，作用在等效桨盘上替代螺旋桨桨叶旋转对空气的作用。气流通过螺旋桨桨盘时，压强和轴向速度均增大，到滑流区，压强降到原来来流压
强，速度则进一步增加。假设桨盘无扭矩，通过桨盘的气流无旋转速度，动量理论
示意图如图 3 所示。图 3 动量理论示意图
计算方法
在本文工作中，承受动量理论的鼓励盘模型来模拟螺旋桨，将桨盘前后的压强差应用于求解 N-S 方程来模拟螺旋桨滑流。鼓励盘作为压力源项参加流场中，流场压力在鼓励盘处有一个 δp 的跃升。流场参数会在鼓励盘处发生突变。由于增加的压力参数 δp 在鼓励盘上网格点处，所以本文承受基于节点重构思想［10，11］的空间导数计算方法在鼓励盘处将流场参数由网格格心重构到网格格点上。
图 4 非构造三维网格示意图
如图 4 所示的鼓励盘处 2 个相邻的四周体网格单元图中菱形点 n1、n2、n3、n4、n5 代表网格节点，圆形点 c1、c2
侧，网格节点 n1、n2、n3 在鼓励盘上。x 方向的压力重量 pa 的空间导数 pax、pay 和 paz 可由下面的方程得到
上述方程的建立需要同时用到网格格心和网格格点处的流淌参数，对于格心格式网格节点处的流淌参数无法通过迭代求得，而必需利用迭代解出的网格格心的流淌参数重构造来得到。本文参考文献［12］中的方法将流场中压力参数由网格格心正确合理地重构到网格格点上，这种方法的根本原理如下:
三维状况下，例设某一网格节点 M0 所连接的网格数目为N 且在这 N 个网格中格心离 M0 距离最近的是第i 个网格那么利用泰勒开放有下面关系存在
pj、pi 均表示在第 i，j 个网格的格心位置。这样略去二阶项以后我们得到一个具有 3 个未知量，N－1 个方程的线性方程组。求解上述方程组，获得这些导数后由
下面的公式就可以求得 M0 点处的 p0
这样就将压力参数 p 从节点 M0 所连的 N 个网格的格心重构到了节点 M0 处。经过鼓励盘后，鼓励盘上的网格节点 M0 处的压力消灭跃升，压力参数变为
＇本文承受结合完整桨叶模型数值计算结果来确定鼓励盘的压差分布。假设螺旋桨的拉力完全由桨盘上的压差供给
式中压力差 δp 为桨盘半径 r 的函数。依据完整桨叶模型数值计算结果(以 λ= 的计算状态为例)，得到螺旋桨桨盘前后压力分布，由螺旋桨旋转的周期性可分别取桨叶位置和桨叶缝隙位置前后两直线上的网格节点压力值曲线，由此得到 2 条
压力差曲线(如图 5 和图 6 所示)，通过这 2 条曲线拟合出满足拉力条件的压差曲线。假设桨盘压差曲线为
为简化计算，本文取 a=b，依据拉力条件计算得 a=b=。则压差曲线(如图 7 所示)为
网格生成与边界条件图 8 鼓励盘外表网格
鼓励盘模型网格仍承受非构造化网格，为保证计算精度，在鼓励盘四周加密网格， 网格单元总数为 175 439 个。
整个计算域外外表设为压力远场边界条件，桨轴外表设为物面边界条件，鼓励盘作为压力源项，其上加载由前文所得到的压力差分布。
计算结果与分析
为了使等鼓励模型数值计算结果能与试验结果进展比较，本文承受了将鼓励盘模型数值计算结果与能和试验结果较好吻合的完整桨叶模型数值计算结果进展比较，来验证鼓励盘模型数值计算方法的有效性。由于在鼓励盘模型中，仅考虑了桨盘前后的压差分布，而无视了旋转速度，故本文选取桨盘下游的轴向速度进展比较。
图 9、图 10 分别给出了桨盘前方距桨盘 和 1R(R 为螺旋桨桨盘半径)处的鼓励盘模型的轴向速度与桨旋转模型的轴向速度的比照。由图中可以看出，鼓励盘模型计算结果与完整桨叶模型数值计算结果吻合较好。
由于完整桨叶模型中，桨叶和桨觳对气流有肯定的阻挡效应，故在完整桨叶模型中， 在贴近桨觳处轴向速度会消灭了急剧减小的现象。
取不同的计算状态(即取不同的 λ 的值)对上文得到的压差分布曲线函数进展验证， 均能得到类似的结果，说明本文所建立的鼓励盘模型能够在较大的范围内模拟螺旋桨滑流流场状况。
结论
本文使用完整桨叶模型数值模拟方法对单独螺旋桨滑流完成数值模拟，并进展出一种的鼓励盘模型数值模拟方法，完成了对单桨模型的数值模拟。通过算例的验证计算，可以的出以下结论:
完整桨叶模型数值模拟方法能够模拟桨叶四周的流淌细节，从而模拟螺旋桨滑流流场的完整流淌特性;
鼓励盘模型数值模拟方法能够模拟螺旋桨滑流的主要气动特性，方法在工程方面具有肯定的应用价值，可以为螺旋桨飞机等的设计供给理论支持;
本文所实现的鼓励盘模型数值计算方法中，结合动量理论和完整桨叶模型数值模拟方法，使用动量理论分析螺旋桨滑流流场，由完整桨叶模型数值计算方法的结果
得出桨盘压差分布曲线，提高了鼓励盘模型数值模拟方法的准确性。
在本文工作中桨盘前后仅参加了压强突增，并没有考虑螺旋桨的旋转速度的影响。假设要更好的模拟螺旋桨滑流的影响，需将旋转速度的增加加到桨盘处理上。通过大量典型螺旋桨完整桨叶模型的计算结果得到具有通用性的桨盘压差曲线，将使鼓励盘方法更具有用性。这些工作将在以后进一步开展。
参考文献:
［1］ 鄂 秦，杨国伟，，1997，15(4):511-516
Qin E，Yang Guowei，Li Fengwei，et Coupling Effect of Two Vortex Systems of Chinese Aircraft with Turbo of Northwestern Polytechnical University，1997，15(4):511-516(in Chinese)
［2］ ， 1995，9(4):48-52
Zhao Research of the Airflow Which Surrounds Aircraft under the Influence of Propeller Experiment and Measurement＆ Control，1995，9(4):48-52(in Chinese)
［3］ 杨国伟，， 1995， 13(1):83-86
Yang Guowei，He -Field Calculation of Propeller Slipstream about Vortex Aerodynamic Sinica，1995，13(1):83-86(in Chinese)
［4］ 左岁寒，杨 ，2025，37(1):54-57
Zuo Suihan，Yang Simulation of Propeller/High-Lift
System Computing Technique，2025，37(1):54-
57(in Chinese)
［5］ 何 辉，史爱明，，2025，26(2):222-226
He Hui，Shi Aiming，Ye on Numerical Simulation Method of Propeller-Driven Aircraft Flow Fields at Low Mechanics，2025，26(2):222-226(in Chinese)
［6］ 李 博，梁德旺，，2025，29(4):845-852
Li Bo，Liang Dewang，Huang Slipstream Effects on Aerodynamic Performance of Turbo-Prop Airplane Based on Equivalent Actuator Disk Aeronautica et Astronautica Sinica，2025， 29(4):845-852(in Chinese)
［7］ 徐 静，杨 永，，2025，38(3):65-67
Xu Jing，Yang Yong，Zuo Simulation of Propeller/Wing- Nacelle Configuration Computing Technique ， 2025，38(3):65-67(in Chinese)
［8］ 任晓峰，杨士普，段卓毅，，南昌，2025
Ren Xiaofeng，Yang Shipu，Duan Zhuoyi，Dun Slipstream Effects on Aerodynamic Performance of Wing Based on Multiple Reference National Computational Fuid Dynamics Conference， Nanchang，2025(in Chinese)
［9］ Stuermer Arne of an Unstructured Chimera Grid
Approach for the Simulation of Propeller -2025-5289
［10］Frink N T，Parikh P，Prizadeh Analysis of Complex Configurations Using Unstructured -1991-3292
［11］Delanaye -Reconstruction Finite Volume Scheme for Compressible Flows on Unstructured Adaptive Journal ，1997， 35(4):631-639
［12］王 N-S 方程求解:［博士学位论文］.西安: 西北工业大学，2025
Wang of Three Dimensional Viscous and Unstructured Grids and its Application in Solving Navier －Stokes E- ， Xi”an:Northwestern Polytechnical University，2025(in Chinese)
［13］Stuermer Arne CFD Simulations of Propeller Installation -2025-4969
［14］Eric W M Roosenboom，Arne Stürmer，et Experimental and Numerical Validation and Analysis of Propeller Slipstream of Aorcraft，2025，47(1):284-291
［15］Schroijen M J T，Veldhuis L L M，Slingerland Empennage Interaction Effects on Vertical Tail Design of Multiengine of Aorcraft，2025，47(4):1133-1140