直升機旋翼流場氣動分析-有獎征文第3篇

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

一、背景

隨著高速直升機的發(fā)展,如何降低直升機氣動阻力和功率消耗越來越受到人們的重視。直升機氣動阻力主要由機身、主旋翼槳轂和起落架產(chǎn)生。過去研究人員多采用風洞試驗預測直升機阻力特性。而隨著風洞試驗成本的不斷增加,以及計算流體力學的飛速發(fā)展,采用CFD技術預測直升機的氣動阻力已成為研究工作者廣泛采用的一種手段。

過去大多數(shù)用戶皆以為PumpLinx只能服務于泵閥行業(yè),其實不然,PumpLinx擁有完備的CFD求解功能,加之其對于運動機械CFD分析的模板優(yōu)勢,因此在進行直升機的氣動阻力分析時也具備良好的適應性。

二、螺旋槳機翼氣動干擾分析關鍵點

利用CFD方法對直升機氣動干擾進行分析相較于理論和實踐有很多優(yōu)點,例如CFD分析可用于分析復雜的非線性非定常流場的氣動模擬,便于操作實行,可控性強,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)、轉向等)。然而,數(shù)值模擬仍然存在一些共性問題,主要體現(xiàn)在:

直升機計算域網(wǎng)格模型的建立。對于旋翼繞流的數(shù)值計算而言,為了保證粘性附面層內的模擬精度,結構網(wǎng)格更容易在物面附近生成,然而對于直升機旋翼的不規(guī)則模型來說,生成難度大。由于模型中需包含機體模型,生成整個計算域模型的高質量網(wǎng)格并合理控制網(wǎng)格數(shù)量難度較大;
計算規(guī)模非常龐大,計算效率不高,計算過程中易遇到發(fā)散、震蕩以及求解結果不收斂的問題;此外直升機旋翼的下洗流場是一種非定常流場,具有周期脈動和時空分布不均勻的特性,需要采用非定常進行計算分析。而采用非定常計算對于直升機的氣動分析計算效率而言提出了更大的挑戰(zhàn)。

三、PumpLinx直升機案例介紹

本文主要介紹如何采用PumpLinx對直升機進行高效的氣動模擬。

模型假設

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

圖1 計算域

網(wǎng)格劃分

旋翼區(qū)域采用結構化網(wǎng)格,充分考慮機翼的邊界層效應;
直升機外流場采用二叉樹笛卡爾網(wǎng)格,采用多重網(wǎng)格加密;
1天之內完成網(wǎng)格建模,網(wǎng)格總數(shù)655萬;

圖2 網(wǎng)格模型(體網(wǎng)格655萬)

模型設置

采用非定常計算;
調用PumpLinx螺旋槳模型,設置計算模型及動網(wǎng)格,其中速度項采用二階計算;
湍流模型采用標準k-e模型;
旋翼轉速375rpm。

部分結果展示

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逐漸衰減的尾跡,速度場關于旋轉軸呈對稱分布,距離旋轉軸越近,速度梯度和速度數(shù)值越小。

圖4 直升機漿尖粒子示蹤

圖5 機翼上表面壓力分布

圖6 機翼下表面壓力分布

圖7 軸截面速度分布

圖8 軸截面壓力分布

圖9 機翼橫截面速度及壓力分布

直升機旋翼流場氣動分析-有獎征文第3篇Pumplinx旋轉機構有限元分析圖片12

圖10 機翼速度分布

直升機旋翼流場氣動分析-有獎征文第3篇Pumplinx旋轉機構有限元分析圖片13

圖11 機身橫截面壓力分布

直升機旋翼流場氣動分析-有獎征文第3篇Pumplinx旋轉機構有限元分析圖片14

圖12 機身截面速度場分布

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

圖13 流場流線分布

上圖顯示,直升機在低空懸停的初始階段,由于地面效應的影響,槳葉附近流場復雜,直升機外側形成明顯的非對稱漩渦,由該渦形成的地面揚沙對直升機的性能影響極大。

圖14 機翼升力預測

升力預測結果與用戶提供的數(shù)據(jù)十分吻合。

四、小結

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

安裝內存:16G

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