螺旋桨短舱气动干扰非定常数值模拟研究课件.ppt
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1、主要内容主要内容一、研究背景一、研究背景二、数值模拟方法二、数值模拟方法三、非定常数值模拟三、非定常数值模拟四、准定常数值模拟四、准定常数值模拟五、无人机数值模拟五、无人机数值模拟一一.研究背景研究背景难点相对运动计算量大非定常性滑流现象非常复杂难难点点某型垂直起降无人机某型垂直起降无人机一一.研究背景研究背景二二.数值模拟方法数值模拟方法等效盘方法等效盘方法MRF方法非定常非定常准定常准定常重叠网格方法1.1.能够模拟大幅度运动能够模拟大幅度运动2.2.降低生成网格的难度降低生成网格的难度3.3.模拟螺旋桨滑流非定常现象模拟螺旋桨滑流非定常现象优点:1.1.能够模拟螺旋桨滑流的影响能够模拟螺
2、旋桨滑流的影响2.2.时间:相对非定常方法用时较少时间:相对非定常方法用时较少优点:1.1.能够模拟螺旋桨滑流的影响能够模拟螺旋桨滑流的影响2.2.时间:相对非定常方法用时较少时间:相对非定常方法用时较少优点:1.采用非结构有限体积法求解采用非结构有限体积法求解N-S方程方程2.空间格式:二阶中心格式空间格式:二阶中心格式+矩阵耗散矩阵耗散3.时间格式:双时间推进时间格式:双时间推进+LU-SGS格式格式4.湍流模型:基于湍流模型:基于SA模型的模型的IDDES模拟方法模拟方法5.动网格技术:非结构动网格技术:非结构重叠网格技术重叠网格技术6.其他:其他:网格自适应技术网格自适应技术CFDCF
3、D方法与设置方法与设置二二.数值模拟方法数值模拟方法Complex Flows and Turbulence Modeling二二.数值模拟方法数值模拟方法DNS:All scales of turbulence are resolved.Therefore,smallest grid size is of the order of the Kolmogorov scale L/(Re)3/4LES:Only the“Large”turbulent scales are resolved.The“smaller”scales are modeledRANS:All the turbulent
4、scales are modeled(RANS/URANS)In DNS,you just solve the Navier-Stokes Equations In LES,you solve a filtered version of the Navier-Stokes Equations along with another equation to represent the turbulent small scales In RANS,you solve the averaged version of the Navier-Stokes equation along with anoth
5、er equation to represent all the turbulent scalesComplex Flows and Turbulence Modeling二二.数值模拟方法数值模拟方法Advantages:combination of the best features of both modelssimple implementationtime accurate resultsDisadvantages:switching between models is grid dependenttime-and memory consuming simulationsAdditi
6、onal low-Reynolds number corrections to improve the LES part of the model are possible(see Shur and Strelets)Principles of Detached Eddy Simulation二二.数值模拟方法数值模拟方法Complex Flows and Turbulence Modeling二二.数值模拟方法数值模拟方法 寻点寻点 插值插值关键技术:关键技术:注:红色网格为背景网格,绿色网格为运动网格,两个区域网格之间有重叠。注:红色网格为背景网格,绿色网格为运动网格,两个区域网格之间有重
7、叠。重叠网格技术重叠网格技术 挖洞挖洞三三.非定常数值模拟非定常数值模拟螺旋桨直径螺旋桨直径:0.3417m短舱长度约短舱长度约:0.863m1.1.计算模型计算模型三三.非定常数值模拟非定常数值模拟2.2.计算网格计算网格重叠网格技术重叠网格技术三三.非定常数值模拟非定常数值模拟XZ截面网格图截面网格图XZ截面涡量分布云图截面涡量分布云图未采用未采用网格自适应网格自适应采用采用网格自适应网格自适应网格自适应技术网格自适应技术2.2.计算网格计算网格三三.非定常数值模拟非定常数值模拟来流条件来流速度30m/s温度287.909K雷诺数2056170螺旋桨转速6560rmp等桨盘倾角0时间步长2
8、.54065e-5s表表1 计算条件计算条件3.3.计算条件计算条件三三.非定常数值模拟非定常数值模拟a.螺旋桨后气流明显加速,螺旋桨后气流明显加速,流管收缩流管收缩b.流线发生明显偏转流线发生明显偏转c.与螺旋桨滑流理论现象一致与螺旋桨滑流理论现象一致流线分析流线分析4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟涡量分析涡量分析4.4.结果分析结果分析浆尖涡浆尖涡浆毂涡浆毂涡三三.非定常数值模拟非定常数值模拟沿沿x轴正向轴正向yz截面马赫数分布截面马赫数分布单独螺旋桨单独螺旋桨沿沿x轴正向轴正向yz截面涡量分布截面涡量分布4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟
9、沿沿x轴正向轴正向yz截面马赫数分布截面马赫数分布带吊舱螺旋桨带吊舱螺旋桨沿沿x轴正向轴正向yz截面涡量分布截面涡量分布4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟转速转速(rpm)计算值计算值实验值实验值误差误差49920.14040.13414.7%54400.17890.17542.0%61920.25700.24594.5%63680.27320.26632.6%65600.29780.28763.5%表2 螺旋桨拉力系数对比4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟表表 3 单独螺旋桨和带短舱螺旋桨的拉力系数对比单独螺旋桨和带短舱螺旋桨的拉力系数对比桨叶
10、不同截面处翼型的表面压力系数桨叶不同截面处翼型的表面压力系数Cp分布分布0.9rR0.5rR0.3rR转速转速(rpm)单独螺旋桨单独螺旋桨带吊舱带吊舱增加增加 65600.27930.29786.6%4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟x/Rz/Ru/(m/s)v/(m/s)/()A1-4.5710.936 34.94-11.6719.6A2-4.5830.942 36.43-12.1020.3B1-3.4830.878 35.47-12.1721.3B2-3.4830.907 36.87-11.6521.2C1-2.4700.925 39.34-10.1121.8C2
11、-2.4520.966 40.65-9.4221.4D1-1.2170.767 39.88-12.9327.4D2-1.1470.784 43.89-12.2928.8E1-0.6440.825 47.62-10.6928.9E2-0.6790.913 46.47-9.1925.4表表4 有有/无短舱螺旋桨桨尖涡结构参数对照表无短舱螺旋桨桨尖涡结构参数对照表4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟涡量分析1.1.黑点线、黑线分别表示黑点线、黑线分别表示t=0Tt=0T时刻的时刻的桨毂涡、桨尖涡轨迹桨毂涡、桨尖涡轨迹;2.2.桨尖涡、桨毂涡的轨迹分别与黑线、黑点线重合,说明桨尖
12、涡、桨毂涡的轨迹分别与黑线、黑点线重合,说明桨尖涡、桨桨尖涡、桨毂涡的失稳发展具有周期性。毂涡的失稳发展具有周期性。0tT12tT56tTtT4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟1.1.桨尖涡失稳,出现了桨尖涡失稳,出现了配对融合配对融合现象(现象(首次模拟得到首次模拟得到););2.2.单独螺旋桨和带短舱螺旋桨桨尖涡的单独螺旋桨和带短舱螺旋桨桨尖涡的失稳位置失稳位置相同相同;3.3.单独螺旋桨和带短舱单独螺旋桨和带短舱螺旋桨螺旋桨桨尖桨尖涡失稳后涡失稳后配对融合位置配对融合位置几乎相同几乎相同。相同时刻螺旋桨尾涡等值面分布(相同时刻螺旋桨尾涡等值面分布(Q Q准则)准则
13、)涡量分析4.4.结果分析结果分析三三.非定常数值模拟非定常数值模拟 1.1.蓝色方点线和红色方点线分蓝色方点线和红色方点线分别表示别表示单独螺旋桨单独螺旋桨桨尖涡在该时桨尖涡在该时刻的包络线;刻的包络线;2.2.带短舱螺旋桨和单独螺旋桨带短舱螺旋桨和单独螺旋桨浆尖涡失稳后的发展过程是相同浆尖涡失稳后的发展过程是相同的,的,同样具有周期性;同样具有周期性;3.3.浆毂涡在短舱表面形成浆毂涡在短舱表面形成螺旋螺旋状结构状结构;短舱收缩处形成;短舱收缩处形成K-HK-H不稳不稳定涡环定涡环并逐步形成短舱尾迹;并逐步形成短舱尾迹;4.4.浆毂涡形式变化有利于浆毂涡形式变化有利于增大增大螺旋桨拉力螺旋
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