小型巡飞弹螺旋桨布局气动特性研究

林 畅,赵 熹,杨 宇,郭拉凤,杨成伟,叶波波,佘牟杨

(1.中北大学航空宇航学院,山西 太原 030051)

(2.北京理工大学长三角研究院(嘉兴),浙江 嘉兴 314000)

(3.北京理工大学机电学院,北京 100081)

巡飞弹是一种具备侦察和制导功能的小型低成本智能弹药[1]。螺旋桨是低速小型巡飞弹常用的推进装置,目前后置螺旋桨动力布局被广泛采用。相关学者针对螺旋桨对飞行器性能影响的研究主要包括两个方面:一方面侧重于对多个螺旋桨在不同布局下的气动性能研究,如Ghoreyshi等[2]研究了不同相位角和间距对串列双螺旋桨推力和扭矩的影响;Zanotti等[3]研究了在轴向间距确定的条件下不同桨盘重叠程度对串列螺旋桨性能的影响;汤斯佳等[4]以共轴对转螺旋桨为研究对象,对比了4种桨间距下共轴对转螺旋桨的推进效率;de Vries等[5]研究了并列螺旋桨的相互作用对螺旋桨效率的影响。另一方面侧重于对螺旋桨与飞行器气动耦合效应的研究,如Westcott等[6]通过改变倾转旋翼无人机前置、后置螺旋桨的角度研究了螺旋桨位置对机翼气动性能的影响;Cho[7]研究了中置布局的增升作用及其对俯仰力矩的影响;Wang等[8]提出了一种中置布局的螺旋桨增升双翼结构,利用螺旋桨的干扰提高机翼的气动性能;陈广强等[9]研究了后置布局的螺旋桨对整机气动特性的影响。目前,针对大型高速螺旋桨推进飞行器的研究已经较为充分,但对于螺旋桨对小型低速巡飞弹气动性能的影响及其气动耦合效应的研究尚少。

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法作为一种高精度模拟方法已经发展出了多种模拟方法,包括多参考系(multiple reference frame, MRF)法[10]、滑移网格(sliding mesh model, SMM)法[11]和嵌套网格(overset mesh model,OMM)法[12]等。由于风洞测试成本高昂,且小尺度、低雷诺数的风洞精度难以满足需求[13],因此CFD方法仍是研究小型巡飞弹气动特性的重要手段。基于这一背景,本文以某型巡飞弹及其适配的折叠螺旋桨为研究对象,基于CFD方法对比分析了前置、后置布局的螺旋桨气动性能,并进一步分析不同布局螺旋桨与巡飞弹的气动耦合效应。

1 计算模型

1.1 前置/后置螺旋桨布局

本文的研究对象为某小型固定翼巡飞弹,主要技术参数见表1。该巡飞弹采用直径为13英寸、螺距为8英寸的螺旋桨。前置布局的螺旋桨安装于巡飞弹机身头部,与头部间距为44 mm;后置布局的螺旋桨位于巡飞弹机身尾部,与巡飞弹机身尾部后端面间距为44 mm。两种布局形式的螺旋桨旋转轴均位于机身轴线,为便于折叠,螺旋桨的桨间距设计值为70 mm。两种布局形式的结构示意如图1所示。

表1 某型巡飞弹主要参数

图1 两种布局的计算模型

1.2 气动性能表征参数

本文用于表征巡飞弹气动特性的参数主要有升力系数CL、阻力系数CD以及升阻比K,见式(1)～(3):

(1)

(2)

(3)

式中:L为巡飞弹的飞行升力,N;D为巡飞弹的飞行阻力,N;ρ为标准状况平均海面下的大气密度,取值为1.225 kg/m3;v为飞行速度,m/s;S为机翼参考面积,取值0.29 m2。

本文用于表征螺旋桨气动特性的参数主要有不同前进比λ下的拉力系数CT,见式(4)～(5):

(4)

(5)

式中:N为螺旋桨转速,r/min;d为螺旋桨直径,m;T为螺旋桨拉力,N。

2 数值模拟方法及验证

2.1 数值模拟方法选择

对于螺旋桨气动力的求解,CFD方法基于真实模型计算,相较于理论分析方法更加接近真实物理状态,相较于风洞测试更便捷、高效且精度也得到了验证。在已有的多种方法中,MRF法和SMM法由于计算效率高,在螺旋桨的数值模拟中得到广泛应用。

本文对研究对象的13英寸×8英寸螺旋桨分别进行地面试验和数值模拟。地面试验利用商用无人机动力测试台在无来流的状态下进行螺旋桨测试,如图2所示。数值模拟分别采用MRF和SMM方法,选择Realizablek-e湍流模型,运用混合网格生成技术生成网格[14],计算区域交界处采用多面体网格填充,其余部分为六面体非结构化网格,网格数量为6万。通过比较螺旋桨地面试验和数值模拟(MRF法和SMM法)的拉力和扭矩数据,在上述两种数值模拟方法中选择一种作为本文CFD仿真计算的方法。

图2 无人机动力测试台

地面试验和数值模拟结果如图3所示,由图可知,两种数值模拟方法的结果都能较好地吻合地面试验结果。转速在2 000～8 800 r/min时,MRF法的最大拉力与地面试验结果的误差为3.1%,最大扭矩误差为9%;SMM法的最大拉力误差为10%,最大扭矩误差为27%。转速在8 800～12 000 r/min时,MRF方法的最大拉力与地面试验结果的误差为13.06%,最大扭矩误差为4.5%;SMM方法的最大拉力误差为2.41%,最大扭矩误差为12.41%。总体来看,在低转速下,MRF方法的计算结果与地面试验结果更接近,随着转速提高,两种方法的计算误差均有所增大。但是,由于SMM方法对计算资源的要求高,计算耗时长,为了兼顾计算效率和计算准确性,本文选择MRF方法进行数值模拟计算。

图3 两种数值模拟方法及地面试验结果对比

2.2 网格无关性验证

不同网格数量下的数值计算结果可能存在差异[15]。为了尽可能减少网格数量,加快计算速度同时保证计算精度,针对计算模型进行网格无关性验证。利用ANSYS Fluent Meshing[16]生成4组不同数量的计算网格,分别为47万、108万、186万、227万,旋转流域部分网格与2.1节保持一致。其中,186万网格的对称剖视图如图4所示。

图4 计算区域

在0°迎角、30 m/s来流速度下对不同数量计算网格进行仿真计算,对比不同数量计算网格的巡飞弹升力系数CL,结果如图5所示。由图可以看出,网格数量大于186万以后,升力系数趋于稳定,不同网格数量下的升力系数最大误差为10.1%。综合考虑计算效率和精度,本文数值模拟的网格数量确定为186万。

图5 网格无关性验证

3 计算结果

3.1 不同布局螺旋桨气动性能分析

影响不同布局螺旋桨气动性能的主要因素是巡飞弹机身的干扰。对于后置布局的螺旋桨,其桨盘来流受到机身的干扰,导致气动性能下降;对于前置布局螺旋桨,其桨盘后的下洗气流易被机身阻挡,导致工作效率降低。由于巡飞弹所用的螺旋桨多为折叠桨,与传统的直桨相比,折叠桨叶之间有一定的桨间距,而桨间距也直接决定了螺旋桨受机身干扰的程度。因此,本文针对不同桨间距的螺旋桨,分析了不同布局下的螺旋桨气动性能,仿真工况见表2。

表2 不同布局螺旋桨CFD仿真工况

前置布局的桨盘来流不受机身干扰,因此在前进比为0.40～0.50时,前置布局的拉力表现优于后置布局,并且随着桨间距增大更为明显。桨间距为100 mm时,前置布局相较于后置布局拉力系数最大增加了7.4%,主要原因是随着桨间距增大,后置布局受机身的干扰程度减小。在高来流速度下,机身干扰对螺旋桨的影响不明显,因此随着前进比增大,两种布局的拉力系数差距逐渐减小,如图6所示。

图6 两种布局拉力与桨间距的关系

在桨间距为70 mm条件下,当前进比小于0.50时,前置布局的拉力系数大于后置布局;前进比大于0.50之后,前置布局的拉力系数小于后置布局且下降速度明显快于后置布局,如图7所示。取前进比为0.45、0.65时前置、后置布局的巡飞弹对称剖面的速度云图进行分析,结果如图8所示。

图7 70 mm桨间距前进比-拉力系数曲线

图8 两种布局速度云图对比

由图可以看出,前进比为0.45时,前置布局的桨盘来流相对稳定,而后置布局的桨盘来流受到机身的干扰,导致螺旋桨气动性能下降;前进比大于0.65时,随着前进比增大,后置布局巡飞弹机身对桨盘来流的干扰作用减弱,但对来流的减速作用更加显著,桨叶根部的气流速度明显降低,使螺旋桨气动性能得到一定的提升。因此后置布局的拉力系数高于前置布局。

3.2 不同布局螺旋桨与巡飞弹的气动耦合效应分析

1)对巡飞弹阻力系数的影响。

数值计算结果表明,前置布局的巡飞弹阻力系数大于后置布局,如图9所示,随着前进比增大两种布局的阻力系数差异逐渐减小,两者最大差距出现在前进比为0.40时,前置布局比后置布局大28.3%。进一步对前置、后置布局的巡飞弹对称剖面的速度云图进行分析,如图10所示。

图9 阻力系数

图10 前进比为0.40时的速度云图

由图可知,前置布局阻力系数较高的原因是前置布局对流经巡飞弹的气流加速作用更加明显,增大了巡飞弹的阻力。

2)对巡飞弹升力系数的影响。

由于螺旋桨对流经机翼气流的加速作用,因此在不同的前进比下前置布局的升力系数均比后置布局高出10%左右,如图11所示。进一步分析两种布局下翼根处的速度云图,如图12所示,由图可知,前置布局机翼根部气流的气流速度明显高于后置布局。

图11 两种布局升力系数对比

图12 前进比为0.45时的翼根速度云图

3)对巡飞弹升阻比的影响。

计算结果表明,随着前进比增大,巡飞弹的升阻比增高且后置布局的升阻比高于前置布局,在前进比为0.40时两者差距最大,相差1.01,如图13所示。

图13 两种布局升阻比对比

根据1)的分析结果,在前进比较小时前置布局的阻力显著大于后置布局,但两种布局的拉力系数相近,导致升阻比差距较大。随着前进比增大,前置布局螺旋桨对气流的加速作用和后置布局机身对来流的减速作用逐渐减弱,因此两者的阻力系数差距逐渐减小,从而导致升阻比差异减小。

4 结论

本文通过数值模拟,研究了不同布局巡飞弹螺旋桨的气动性能以及螺旋桨与巡飞弹的气动耦合效应,得出如下结论:

1)在70 mm的桨间距下,螺旋桨有效避开了巡飞弹机身的尾流影响,因此两种布局形式对螺旋桨气动特性的影响并不显著,但与整弹的气动耦合效应明显。

2)前、后置布局的螺旋桨对流经巡飞弹的气流都有加速作用,其中前置布局的影响更为明显。前置布局的整弹升力系数、阻力系数均有明显增加,升力系数最大增加12.65%,阻力系数最大增加28.32%。后置布局的升阻比高于前置布局。

考虑滑流作用对飞机机翼气动影响的分布式螺旋桨布局优化设计方法,对促进螺旋桨飞机动力/气动布局一体化设计理念的发展有一定意义。在螺旋桨滑流影响下,对分布式螺旋桨飞机动力布局和气动外形进行一体化优化设计,提升分布式推进飞机气动特性,是后续研究的重要方向。