應(yīng)用動態(tài)面搭接網(wǎng)格數(shù)值模擬雙發(fā)螺旋槳流場_張鑫

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1、第12卷第7期2012年3月科學(xué)技術(shù)與工程Vol.12No.7Mar．20121671—1815(2012)07-1564-05ScienceTechnologyandEngineering2012Sci.Tech.Engrg.航空航天應(yīng)用動態(tài)面搭接網(wǎng)格數(shù)值模擬雙發(fā)螺旋槳流場張鑫楊永(西北工業(yè)大學(xué)翼型、葉柵空氣動力學(xué)國防科技重點實驗室，西安710072)摘要基于動態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)，生成雙發(fā)螺旋槳/短艙/機翼構(gòu)型在三種不同螺旋槳旋轉(zhuǎn)組合下的計算網(wǎng)格，分別對不同旋轉(zhuǎn)組合下的流場進行了數(shù)值模擬，并對比分析了螺旋槳不同旋轉(zhuǎn)組

2、合下的螺旋槳滑流流場結(jié)構(gòu)和螺旋槳滑流對機翼氣動力的影響。仿真計算結(jié)果表明，三種旋轉(zhuǎn)組合方式中，在0°～2°攻角范圍內(nèi)，反對轉(zhuǎn)的升力系數(shù)最大;在2°～6°攻角范圍內(nèi)，雙發(fā)螺旋槳對轉(zhuǎn)的升力系數(shù)最大;在6°以上攻角時，雙發(fā)螺旋槳反對轉(zhuǎn)的升力系數(shù)最大。關(guān)鍵詞N－S方程螺旋槳機翼旋轉(zhuǎn)方向中圖法分類號V211.3;文獻標志碼A從1903年萊特兄弟第一次進行有動力可控飛QdV+Sf·ndS=0行以來，螺旋槳飛機就一直是航空領(lǐng)域不可或缺的tV式中，V為控制體體積，Q為守恒變量矢量，S為控飛行器。由于螺旋槳飛機在低速飛行時具有低

3、燃制體表面，f為通過表面的無黏性通量和黏性通量油，經(jīng)濟性好等優(yōu)點，起飛、著陸時的飛行速度低。之和，n為表面的單位外法向矢量。由于流場數(shù)值對跑道的依賴程度也低。絕大多數(shù)中短途軍用運輸機和通用飛機都采用螺旋槳動力［1］。對于飛機模擬基于慣性坐標系，上式中不含非慣性項。以有限體積法離散求解上述控制方程。無黏設(shè)計者而言，在開始設(shè)計階段就要通過計算和實驗通量項采用二階精度的Roe平均迎風(fēng)通量差分分裂的手段研究螺旋槳的氣動特性及其對機體各部件間的干擾［2］。格式離散，黏性通量項采用二階中心差分格式離散。采用全湍流假設(shè)，Spalar

4、t-Allmaras湍流模型進各種干擾影響中，最主要的是螺旋槳滑流對其行湍流計算。時間方向離散采用雙時間迭代方法，流過的部件的影響，特別是對機翼和尾翼的影響。在偽時間子迭代中采用隱式近似因子化法、多重網(wǎng)現(xiàn)采用動態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)，數(shù)值求解非定常雷諾格、當?shù)貢r間步長等加速收斂措施。平均N－S方程，并模擬螺旋槳流場，研究了雙發(fā)螺1.2動態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)旋槳不同旋轉(zhuǎn)組合對機翼產(chǎn)生的影響。將動態(tài)面搭接技術(shù)加入到非定常雷諾平均1數(shù)值方法與動態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)Navier-Stokes方程求解程序中，實現(xiàn)螺旋槳滑流與1.1數(shù)值方法機翼

5、氣動干擾數(shù)值模擬。隨著時間的推進，螺旋槳周圍圓柱形網(wǎng)格部分隨螺旋槳一起旋轉(zhuǎn)，網(wǎng)格點的采用雷諾平均Navier-Stokes方程作為流動控制物理坐標發(fā)生改變，外部網(wǎng)格保持不動。在每一個方程，其積分形式為物理時間步，圓柱形網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)到新的坐標點，須重新查找搭接面兩側(cè)網(wǎng)格單元的對應(yīng)關(guān)系，并通過雙［3］線性插值傳遞流場信息。2011年11月21日收到，12月1日修改國家自然科學(xué)基金(11002117)資助2網(wǎng)格生成第一作者簡介:張鑫(1980—)，男，碩士研究生，研究方向:理論與計算流體力學(xué)。E-mail:npuzx@sohu.

6、com。使用的幾何模型為機翼加短艙加雙發(fā)螺旋槳7期張鑫，等:應(yīng)用動態(tài)面搭接網(wǎng)格數(shù)值模擬雙發(fā)螺旋槳流場1565模型，如圖1所示。每個螺旋槳由6片槳葉構(gòu)成，螺為OH型網(wǎng)格。每個槳葉都分別生成O網(wǎng)格，以減旋槳槳盤直徑為4m，槳葉角為35°。機翼為矩形平少附面層內(nèi)的網(wǎng)格量，并保證槳葉附近網(wǎng)格的正交直翼，翼型為NACA0012翼型，機翼半展長為10.84性。圖3中綠色部分為外部網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)，也為m，弦長2m，短艙加螺旋槳構(gòu)型安裝在半展長的OH型網(wǎng)格。內(nèi)外網(wǎng)格的搭接面為與螺旋槳同軸的40%處，螺旋槳中軸線與機翼弦平面在同一平面內(nèi)。

7、圓柱形?？偩W(wǎng)格塊數(shù)為698塊，總網(wǎng)格數(shù)為2000萬。在面搭接網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用中，為了保證在流場計算時搭接面附近的數(shù)據(jù)交換的精度以及流場的連續(xù)性，在網(wǎng)格生成時，還需保證搭接面附近的網(wǎng)格均勻性，因此會對網(wǎng)格的正交性產(chǎn)生一定的影響，需要在保證網(wǎng)格均勻性的前提下得到正交性較圖1螺旋槳/短艙/機翼構(gòu)型［4］好的網(wǎng)格。圖3給出了搭接面附近的網(wǎng)格示意圖。3計算結(jié)果及分析雙發(fā)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)在保證拉力向前的情況下，有三種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。第一種狀態(tài)是兩個螺旋槳都朝同一個方向旋轉(zhuǎn)(co-rotatingpropellers)，以下簡稱順轉(zhuǎn)(co-ri

8、ght);第二種狀態(tài)是兩個螺旋槳都朝內(nèi)側(cè)(inboard-uprotatingpropellers)，以下簡稱對轉(zhuǎn)(inb-up);第三種狀態(tài)是兩個螺旋槳都朝外側(cè)旋轉(zhuǎn)(out-圖2螺旋槳/短艙/機翼構(gòu)型網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)圖board-uprotatingpropellers)，以下簡稱反對轉(zhuǎn)(outb-動態(tài)面搭接網(wǎng)格技術(shù)就是在螺旋槳周圍