平流层低动态飞行器高效螺旋桨设计技术研究

admin · 发表于 2024-2-7 15:24:13

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低动态飞行器在平流层飞行时，由于平流层大气密度小，气压低，按照常规方法设计的螺旋桨推力小、效率偏低。同时在升空、回收过程中，气动参数的较大变化，也会对螺旋桨的效率和推力带来显著影响。因此，开展适应大跨度飞行高度飞行和平流层低密度大气环境的高效螺旋桨研究，对减少能源需求和飞行负载，促进总体设计的轻型化具有重要意义。这为传统意义上的螺旋桨设计与制造技术提出新的挑战。本文结合片条气动理论，为能研制出具有高效、轻质、低Re数等优点的平流层低动态飞行器高效新型螺旋桨进行了螺旋桨气动设计方法研究，螺旋桨CFD数值模拟技术研究，螺旋桨地面风洞缩比模型试验技术研究和螺旋桨优化设计技术研究，所取得的主要研究成果如下：1. 针对平流层低密度低Re数大气环境特点，采用等Re数、等应力和低Re数高升力翼型组合的设计原则，首次对平流层高效轻质螺旋桨进行了设计，给出了满足设计指标的定矩变速三叶螺旋桨方案，设计方案获得了国家专利。为了设计出平流层低密度环境下高效轻质螺旋桨，平流层螺旋桨桨叶设计上引入了等Re数设计原则和等应力设计原则，采用定矩变速三叶电动螺旋桨方案，选用低Re数高升力翼型S1223，设计出了满足在高度H=20km的高空，来流风速20m/s下，拉力T=490N，效率为75.8%的平流层高效螺旋桨气动外形方案。所设计的螺旋桨直径D=6.5m，桨毂直径d0=1.3m，特征面0.7R处的安装角为20.5°，桨叶效用因子62.3，最大宽度0.516m，桨尖Ma=0.353。从而为平流层低动态飞行器高效螺旋桨的气动外形提供了技术支持和方法参考。2. 采用CFD数值模拟技术对平流层螺旋桨气动外形设计方案进行了数值计算研究，分析评估低Re数对螺旋桨整体气动性能的影响，验证了平流层低动态飞行器高效轻质螺旋桨设计方案的合理性和适用性。平流层低动态飞行器螺旋桨的平飞速度小，旋转速度低，桨尖与桨根区流动复杂，三维效应明显，片条理论气动计算在一定程度上受到限制。为了验证设计出的平流层螺旋桨方案的合理性和适用性，本文对设计出的平流层螺旋桨采用FLUENT流体计算软件选用SST k-w二方程湍流模型在H=20km高空的不同风速下的三维流场进行了数值模拟研究，在固连于螺旋桨的旋转坐标系下求解定常流动控制方程去模拟解决在地面惯性坐标系下螺旋桨绕流的非定常题目，分别计算了不同来流速度和转速下螺旋桨的气动力和整体气动性能曲线。结果表明，数值模拟计算结果与螺旋桨片条理论气动计算结果基本吻合。3. 基于对螺旋桨地面相似理论的研究，平流层螺旋在地面常规密度风洞中采用Re和前进比相似准则模拟平流层低密度大气环境进行了缩比模型试验研究。地面不具备直接模拟低密度低Re数环境的风洞试验条件，为了在地面常规密度风洞中模拟平流层低密度大气环境，本文根据螺旋桨复杂流动条件，进行了螺旋桨的地面相似理论研究，最终采用Re和前进比相似准则设计了平流层螺旋桨的地面风洞缩比模型，建立了螺旋桨的地面风洞试验平台。通过实验结果、片条理论计算结果和数值模拟计算结果的对比可看出，三者基本吻合。从而证实了平流层高效螺旋桨片条计算结果和数值计算结果的准确性。同时地面风洞试验结果还表明，可以忽略密度比因子对平流层螺旋桨相似性参数的影响，从而证实了在地面常规密度风洞中可以采用Re和前进比相似准则进行缩比模型试验。4. 基于平流层低动态飞行器高效螺旋桨气动外形，采用直接搜索优化算法EXTREM和片条气动理论建立了平流层螺旋桨的气动优化设计平台，以效率为目标函数对螺旋桨的弦长和安装角进行了双变量优化设计，从而使平流层螺旋桨效率得到进一步提高。从平流层低动态飞行器螺旋桨设计过程看，由于受到设计原则的限制，设计过程中主要是通过给定几种不同参数的螺旋桨，分析参数对螺旋桨性能的影响，然后从中选择符合设计要求，性能较好的作为最终设计方案，对螺旋桨效率提高没有进行过多的研究。为了得到高效轻质的平流层螺旋桨气动外形，本文结合具有收敛快和不用求导的优点的直接搜索优化算法EXTREM和片条气动理论，对原先设计出的平流层螺旋桨的弦长和安装角进行了以效率为目标的双变量优化设计，从结构和气动两方面进行了综合优化设计，建立了平流层螺旋桨的气动优化设计平台。最后优化设计出了在高度H=20km，来流风速为20m/s下，拉力T=490N，效率为78%的平流层高效螺旋桨气动外形方案。通过对优化桨和原设计桨的片条理论计算结果和数值计算结果的对比，可得出无论是在设计状态还是非设计状态，优化桨的效率都比原设计桨有所提高。

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