直升機(jī)旋翼流場氣動分析-有獎?wù)魑牡?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(jī)的發(fā)展,如何降低直升機(jī)氣動阻力和功率消耗越來越受到人們的重視。直升機(jī)氣動阻力主要由機(jī)身、主旋翼槳轂和起落架產(chǎn)生。過去研究人員多采用風(fēng)洞試驗(yàn)預(yù)測直升機(jī)阻力特性。而隨著風(fēng)洞試驗(yàn)成本的不斷增加,以及計算流體力學(xué)的飛速發(fā)展,采用CFD技術(shù)預(yù)測直升機(jī)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(wù)于泵閥行業(yè),其實(shí)不然,PumpLinx擁有完備的CFD求解功能,加之其對于運(yùn)動機(jī)械CFD分析的模板優(yōu)勢,因此在進(jìn)行直升機(jī)的氣動阻力分析時也具備良好的適應(yīng)性。
二、螺旋槳機(jī)翼氣動干擾分析關(guān)鍵點(diǎn)
利用CFD方法對直升機(jī)氣動干擾進(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的氣動模擬,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題,主要體現(xiàn)在:
-
直升機(jī)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(nèi)的模擬精度,結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更容易在物面附近生成,然而對于直升機(jī)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(jī)體模型,生成整個計算域模型的高質(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(jié)果不收斂的問題;此外直升機(jī)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(jìn)行計算分析。而采用非定常計算對于直升機(jī)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(jī)案例介紹
本文主要介紹如何采用PumpLinx對直升機(jī)進(jìn)行高效的氣動模擬。
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(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)外流場采用二叉樹笛卡爾網(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;
圖2 網(wǎng)格模型(體網(wǎng)格655萬)
模型設(shè)置
-
采用非定常計算;
-
調(diào)用PumpLinx螺旋槳模型,設(shè)置計算模型及動網(wǎng)格,其中速度項(xiàng)采用二階計算;
-
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
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(guān)于旋轉(zhuǎn)軸呈對稱分布,距離旋轉(zhuǎn)軸越近,速度梯度和速度數(shù)值越小。
圖4 直升機(jī)漿尖粒子示蹤
圖5 機(jī)翼上表面壓力分布
圖6 機(jī)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(jī)翼橫截面速度及壓力分布
圖10 機(jī)翼速度分布
圖11 機(jī)身橫截面壓力分布
圖12 機(jī)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(zhuǎn)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(jī)在低空懸停的初始階段,由于地面效應(yīng)的影響,槳葉附近流場復(fù)雜,直升機(jī)外側(cè)形成明顯的非對稱漩渦,由該渦形成的地面揚(yáng)沙對直升機(jī)的性能影響極大。
圖14 機(jī)翼升力預(yù)測
升力預(yù)測結(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(jié)果可知,該直升機(jī)流場的壓力、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(nèi)存:16G
處理器:Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2690v2 @ 3.00GHz 8核并行
相關(guān)標(biāo)簽搜索:直升機(jī)旋翼流場氣動分析-有獎?wù)魑牡?篇 Pumplinx流體分析培訓(xùn)課程 Pumplinx旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仿真分析 Pumplinx培訓(xùn) Pumplinx學(xué)習(xí)教程 Pumplinx視頻教程 Pumplinx軟件下載 pumplinx流體分析 Pumplinx代做 Pumplinx基礎(chǔ)知識 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn)