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新型高性能螺旋桨设计及悬停气动特性分析

罗健  
【摘要】:近些年来多旋翼飞行器发展迅速,在各个行业均有广泛的应用。多旋翼一般在低空低速的工况下作业,要求在低空及低速前飞下螺旋桨的性能好。国内的多旋翼飞行器大多采用固定翼螺旋桨,因为固定翼螺旋桨发展成熟,易于购买。然而固定翼螺旋桨一般是在高空高速的工况下作业,它的螺旋桨用于提供前飞的推力,是不适合多旋翼的工况的。国外一些公司如t-motor已经注意到这个问题,开发了专用于多旋翼工况的螺旋桨,但是目前国际上仍然没有理论设计的文章出现。本文将在t-motor螺旋桨的基础上设计一款适用于多旋翼工况的高性能螺旋桨,并对悬停状态下的孤立螺旋桨进行了气动特性分析,主要做了以下工作:(1)完成螺旋桨的几何模型建立以及参数化设计。以某型实体螺旋桨为研究对象,通过逆向工程获得其三维几何模型,同时将螺旋桨参数化,得到具体的各个参数如翼型坐标、弦长和桨距角分布,在已获得的参数基础上通过构造端壁型线、流面、翼型和翼型积叠方式等步骤完成螺旋桨的参数化设计。(2)构建出一套基于CFD(Computational Fluid Dynamics)适用于多旋翼螺旋桨的数值计算方法。包括适用于旋转机械的快速结构化网格划分,采用雷诺数平均法下的Spalart-Allmaras湍流模型,用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法进行迭代,通过中心差分格式对坐标系下的三维雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程进行求解。(3)通过已构建的数值模拟方法研究悬停状态下该螺旋桨的气动特性,同时对实体螺旋桨进行静拉力扭矩试验,用实验值验证该数值模拟方法的准确性,为之后的高性能螺旋桨设计打下基础。(4)在CFD数值模拟基础上对基准螺旋桨进行气动外形改进,主要通过改变螺旋桨弦长分布、桨距角分布、翼型配置以及翼型积叠方式四个几何参数,分析各个参数变化对螺旋桨拉力和功率产生影响的规律,然后通过正交试验法将较优参数进行组合,完成原尺寸及扩比后的新型高性能螺旋桨设计。


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