【摘 要】
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高端空天深海装备是我国战略性新兴产业前沿技术,推进器作为空天深海的关键动力设备,其性能优劣严重制约了系统装备发展。摆线桨作为一种新型的推进装置,具有高效率、低噪声和机动性能强等优势,广泛应用于直升机、微型飞行器和水下推进器等领域。由多个翼型桨叶组成的摆线桨存在叶片-尾迹和尾迹-尾迹相互干涉、叶片表面层流向湍流的转捩以及湍流尾迹等复杂流动结构。现有的研究主要关注其总体性能的预测,而忽略了在不同工况、
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高端空天深海装备是我国战略性新兴产业前沿技术,推进器作为空天深海的关键动力设备,其性能优劣严重制约了系统装备发展。摆线桨作为一种新型的推进装置,具有高效率、低噪声和机动性能强等优势,广泛应用于直升机、微型飞行器和水下推进器等领域。由多个翼型桨叶组成的摆线桨存在叶片-尾迹和尾迹-尾迹相互干涉、叶片表面层流向湍流的转捩以及湍流尾迹等复杂流动结构。现有的研究主要关注其总体性能的预测,而忽略了在不同工况、不同几何参数下近壁区流动诱导整个旋转系统及单叶片的性能变化。同时,在低雷诺数下,层流向湍流的转捩效应不可忽略,而用于求解完全湍流的两方程模型并不能捕捉该现象。因此,本文通过江苏大学国家水泵及系统工程研究中心、法国国立高等工程技术学校和美国弗吉尼亚理工学校联合合作,重点研究转捩模型在固定翼型、正反向振荡翼型和摆线桨上的应用,深入分析不同运行工况和几何参数对整个旋转系统和单叶片性能的影响,揭示叶片近壁区流动诱导性能变化规律,为揭示摆线桨复杂内流和性能优化提供理论基础。主要研究内容和创新点如下:(1)基于固定翼型,深入研究了转捩模型的适用性。分析了翼型法向和流向网格分布、进口湍流强度和涡粘比率、转捩模型中相关函数和参数以及湍流模型的影响。基于数值模拟和实验结果,阐明了翼型压力系数、壁面摩擦系数、近壁区速度分布及转捩过程中分离点、转捩点和附着点位置,揭示了不同攻角和雷诺数下固定翼型的转捩特性。(2)针对摆线桨叶片旋转的动态特性,通过滑移网格技术,分析了正反向翼型在不同振荡幅值、振荡频率和雷诺数下的内流结构、转捩特性和漩涡轨迹。结果表明,由于尖前缘较早的流动分离,导致反向振荡翼型绕流更加复杂。同时,反向翼型的转捩也与正向翼型不同,主要表现为前缘涡诱导分离剪切层内的一次转捩和叶片钝尾缘分离泡诱导的二次转捩。增加振荡频率不仅会对性能和流场造成延迟,也会使尖前缘处的转捩发生迟滞。(3)采用转捩模型和其他湍流模型对两叶片摆线桨流场进行计算,研究结果结果表明转捩模型计算结果与实验值更加吻合,数值模拟能够准确捕捉摆线桨内叶片-尾迹和尾迹-尾迹干涉过程。结合单叶片性能、叶片受力、叶片压力分布和近壁区流动结构,阐明了整个系统在不同前进比下的性能差异和叶片表面的转捩特性。研究结果表明,动态翼型的转捩先是边界层内离散涡导致的层流边界层不稳定性、然后是分离泡的出现、最后是附着点之后短距离的层流边界层及湍流边界层的分离,揭示了反向翼型的转捩机理。(4)针对摆线桨振荡形式、弦长半径比、振荡中心点位置和叶片形状,对其性能进行优化。结果表明,平均攻角为5°的非对称振荡形式可获得较好的气动性能;弦长半径比为0.45的摆线桨转子可产生最高的推力效率;振荡中心点在25%弦长处可大幅度减少功率消耗,从而产生最佳效率;对称翼型NACA0012和NACA0015在较大雷诺数范围内可保持高效运行,而反置NACA2415翼型在较高雷诺数下也可产生较高推力效率。基于单叶片的速度三角形可知,前进比和雷诺数都会对相对速度产生影响,主要表现为翼型驻点位置的变化,影响了叶片压力分布和升阻力变化,对单个叶片和整个系统的性能产生了较大影响。但由于同时改变了转速和进口速度,雷诺数效应比前进比影响更小。研究结果为摆线桨气动优化提供了基础理论支撑。
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