文摘
一个低阶面板方法用来预测螺旋桨的性能。后对齐模型提出了基于pseudounsteady方案和实现。结果从这个完整后对齐(澳洲公平工作委员会)模型与实验数据,从运行和结果对于一些在设计和低推进螺旋桨比率。发现了显著改善预测的综合力量和压力分布。
1。介绍
螺旋桨性能的预测,面板的方法比其他数值工具显示了巨大的优势。一方面,面板的方法恢复真正的叶片几何尽可能多,而不是简化螺旋桨叶片为提升表面涡格法(VLM)。另一方面,面板的方法远比Reynolds-averaged更高效的n - s(跑)模拟,不仅计算来说,而且在网格生成。一般来说,面板方法罢工一个好的平衡精度和计算效率。接近的设计条件,结果从面板方法是在良好的协议与实验测量或运行模拟。
预付比例变得越来越小,随着距表变得越来越小。因此,随着流从一个叶片可能接近随之而来的叶片,因此,强烈影响的叶片上的压力分布。因此,为了正确预测螺旋桨性能在低比率,一个精确的后模型是必要的。密集的调查在过去的二十年里已经被建模的螺旋桨。
格里利和科文1)发明了一种快速后调整计划(PSF-2类型对齐)。后在粗网格对齐,然后插入到细网格。巴西和Kinnas2)提出了一个完全一致后模型与双二次偶极子面板。高阶模型之后,虽然获得了成功预测后的汇总和螺旋桨性能在设计条件下,更多的是计算密集型比那些低阶面板。后来,李和Kinnas [3)开发了一种基于低阶面板3 d后模型的船用螺旋桨的方法,强调更多的建模开发梢涡空腔。梢涡腔建模与螺旋涡流管的完整几何确定从要求其表面的压力等于蒸汽压。完全润湿的情况下,翼尖涡流的核心仍然是必要的。李和Kinnas [4)应用相同的后模型完全不稳定nonaxisymmetric流动。他(5)提出了一个完全一致的模型基于VLM代码之后,MPUF3A。在这个模型之后,翼尖涡流的核心不再是必要的。
独立,politi [6)制定了不稳定运动的螺旋桨非定常模型在惯性参考系中醒来。螺旋桨在不同操作条件不稳定(冲动开始,斜流入和升沉运动)是模拟的。希腊et al。7)提出了一个复杂的稳定后模型,包括附近的完全一致后,螺旋中间后,磁盘之后,分析螺旋桨的稳定性能。这之后彻底模型与实验数据验证螺旋桨设计条件附近,但非设计工况的性能不是解决。
在这篇文章中,同样的想法,在他的5)改进后模型的框架内低阶面板方法代码,PROPCAV。面板的代码没有任何对齐后模型首次应用于3 d翼在低攻角(AOA)验证的目的。与新模型也PSF-2类型后,面板代码应用于5-bladed螺旋桨DTNRC 4381年,特别是在低比率,和3-bladed螺旋桨DTMB 4119。在3 d的情况下以低AOA和螺旋桨翼DTNRC 4381在不同的比率,从PROPCAV结果与运行。在螺旋桨的情况下,可用实验测量也进行了比较。
2。配方
速度流场分解为两个部分:流入速度和扰动速度,写如下: 在哪里是总速度,是流入速度,扰动速度是由于存在障碍。
2.1。控制方程
本研究中应用的方法是基于非粘性的势流理论: 在哪里是微扰的潜力。因此,扰动速度场是由拉普拉斯方程: 如果流入也无旋,我们还可以定义总潜力如下: 采用绿色的第二个身份,拉普拉斯方程(3)可以写成下面的边界整合形式: 在哪里代表水翼或螺旋桨叶片的表面代表了表面的后缘。是格林函数,它的定义是在3 d两个点之间的距离吗和。一个低阶面板使用常数采用偶极子面板解决方法(5)。
2.2。边界条件
2.2.1。运动学边界条件
将运动学边界条件应用到固体表面,我们获得以下:
2.2.2。库塔条件的压力
在机翼后缘,是未知的,受到的压力库塔条件: 加号表示吸入侧板,和-符号表示压力侧板。的物理意义7),自由涡跳表不能承受压力。
对于稳态,(7)会导致修改Morino-Kutta条件10]: 在哪里从控制点向量(+)(−)面板的面板的后缘。
在二维非定常问题,甚至在3 d稳定问题,(7)必须执行通过不稳定的伯努利方程: 迭代计划已经被应用以执行(9Kinnas和新提出的),11),即迭代库塔条件(IPK)的压力。
2.3。评估当地的速度
计算域的局部扰动速度不需要评估在叶片表面的压力,但诱发后模型。从理论上讲,当地的扰动速度在任何时候可以通过下面的奇异评估集成: 在哪里是一样的格林函数,定义在(5)。实际上,数值评价(10)投下两个问题:在哪里及如何评价速度。
如果字段点坐落在涡流层(10)包含奇异积分。对于低阶面板方法,评估小组的速度在控制点可以避免奇点。李和Kinnas [3)不稳定后模型的实现这个想法。为了对齐后,节点的速度点的面板将被内插的速度控制点。在每个时间步Repaneling进行。
然而,控制点的速度是有限的只有面板经常和平稳分布在空间。在后期阶段不稳定的自由进化之后,或在某些中间步骤来确定稳定后,涡流板的几何形状可以纠缠。控制点的速度评估小组可能会导致一个巨大的偏离准确值。数值试验表明,评估节点的速度与某些desingularized涡内核可以比上面提到的方案更健壮。
在2 d, dipole-induced速度(10)相当于诱导速度由于涡度与强度分布: 在哪里是向量垂直于哪一个,。
Krasny [12)采取了desingularized内核而不是在(11),这导致了涡团法研究二维自由涡片的进化。这种方法,虽然简单,但在许多2 d应用是成功的。涡激速度是限制在一个有限的价值,和内在Kelvin-Helmholtz不稳定是抑制。
在3 d中,涡流面离散成常数偶极子元素,这相当于涡环与常数涡量强度。因此,诱导速度由于涡流循环可以用毕奥萨伐尔定律计算:
取代毕奥萨伐尔内核,Rosenhead-Moore内核,导致了3 d的延伸涡团的方法。拉姆齐的研究(13),他(5],林赛和Krasny [14)表明,该方法可以给出合理的涡的三维演化的结果表。
2.4。后调整计划
自由涡表流从螺旋桨叶片后缘的材料表面,需要与当地的流速。校准计划扮演非常重要的角色在决定自由涡的空间几何或分布表。稳定的和不稳定的情况下,调整方案数值不同。
工程社区更感兴趣的是螺旋桨性能稳定。作为一个类比,Euler-explicit方案不稳定的情况下,许多研究者将涡流层使用上游节点的速度点:
数值试验表明,该方案是稳定和快速收敛。然而,这个计划有相同的缺陷Euler-explicit方案不稳定对齐:它不断扩大rollingup围绕中心旋转半径,因此无法预测正确的卷取区域的位置和大小。因此,为了获得更好的预测后几何、校准计划的方式梯形规则优先。然而,直接应用梯形法则是不稳定的。
田和Kinnas15)提出了一个pseudounsteady对齐方式模拟前缘涡(LEV)三角翼与尖锐前缘。列弗模型,精度汇总区域的大小更重要比自由尾迹模型。在本文的研究中,虽然没有列弗模型适用于预测螺旋桨的性能,同样的想法是采用调整螺旋桨。
如图1,考虑材料行定义如下:
我们有 导致
离散化(16)与有限差分格式的不稳定斜坡和Euler-Explicit方案方面,我们有 在哪里,。表示,,我们有
请注意,(18)是对齐方案涡流层在水平均匀流入。换句话说,流入是平行的x设在。这种方法背后的理念是,固定坐标必须是在同一方向的主要流入,因此,(18表现在逆风数值。例如,当前点的曲线的斜率是评估当前点和上游点使用。然而,在螺旋桨周围的流动的情况下,占主导地位的流入不会在轴向方向,但与常数沿螺旋线。流入的旋转分量是很重要的。螺旋桨周围的流动是解决相对坐标系旋转的螺旋桨。换句话说,在(1)应该取而代之,在那里螺旋桨的角速度,表示旋转轴的径向向量螺旋桨的叶片上的任何点。上述调整方案的本质是将总速度矢量分解为两个部分:平行流入和组件组件正常流入;然后保持涡段的长度方向流入不变。预付比例被定义为,在那里和革命的转动速度是每秒,和螺旋桨的直径。
考虑圆柱坐标下的一个点,网格大小参数流向的方向。如果只是与流入之后,随之而来的将是指向;和。因此,有效的流入方向在笛卡尔系统连接段()th和th点 在笛卡尔坐标系统被定义为
现在的平均速度扰动可以分解为两个部分: 在哪里标量的投影吗在笛卡尔系统上,的矢量分量吗正常的。
定义和我们科举制的螺旋桨后的调整方案: 在哪里表示的坐标点时间步长。很容易证明如果向量上的投影在是的投影向量在是。方程(22)是实现完整的后对齐(澳洲公平工作委员会)模型。尽管(22)可用于不稳定问题,在本文的研究中,只有稳定的对齐处理。同时,流场的对称性和周期性是剥削。
当应用(22)稳定的对齐,后形状是通过重新计算(22)多次没有解决的潜力,直到达到最大迭代次数,或达到一个给定的收敛性判据。的影响系数,由于后评估。与更新的影响系数后,叶片上的潜力和后解决。重复这个过程会导致聚合后叶片形状和聚集力量。
3所示。应用三维机翼在低攻角直
在申请澳洲公平工作委员会模型之前,当前面板的基本框架代码第一次测试三维机翼在低攻角(AOA)。tip-swept翼,预计像一个螺旋桨桨叶大倾斜角,是调查。如图2(一个)扫描叠加到一个椭圆形的平面图,有纵横比。的所有部分机翼NACA 0010厚度没有翘起。直后没有对齐是附加在机翼后缘。在这种情况下,没有列弗模型应用。
(一)
(b)
(c)
(d)
结果在低AOA (AOA = 2度)从当前本模型与运行验证,这是通过商业软件STAR-CCM +。
SST湍流模型采用了模拟和墙上+主要控制在30到80之间的范围。为方便网格生成,翼的后缘是圆的,它的半径是弦长在每个部分的0.5%。跑的情况下花了大约3小时16英特尔至强2.54 GHz cpu收敛。本代码花了3分钟在一个相同类型的CPU来得到结果。
三个部分来比较的压力分布。如数据所示2 (b)- - - - - -2 (d),压力分布在所有的部分都是在良好的协议与方法。
4所示。应用程序螺旋桨DTNSR 4381
面板代码应用于五刀片螺旋桨DTNSR 4381年,由吉[调查8通过实验测量。设计进展比螺旋桨是0.889。
对于小组的模拟代码,两个后模型:采用PSF-2模型之后,这是一个快速对齐后计划由格里利和Kerwin, (1)和一个完整的后对齐(澳洲公平工作委员会)计划,这是在这项研究中实现的。推进比率,唤醒一个革命的建模与澳洲公平工作委员会计划。PSF-2模型,醒来是削减2.5 R下游最终唤醒磁盘。中心的螺旋桨也通过本面板建模,但中心漩涡核心是省略了在这个研究。
跑相同的模拟螺旋桨进行流利的与商业代码,和0.4。K -采用SST湍流模型。快速方案用于空间离散化,SIMPLEC方案申请压力修正。150万年六面体的细胞是用来模拟一个行业领域的周期性边界条件。花了12到14小时32英特尔至强2.54 GHz cpu e-6残差的收敛于1。
博斯韦尔的试验研究[8),只有综合力量测量。图3比较预测的综合力量PROPCAV跑,和实验测量。我们可以看到,KT与后面板的代码模型预测油井同意实验数据和设计附近跑。然而,进步比变得越来越小,KT PSF-2对齐开始偏离预测的实验数据和运行结果。在此同时,KT的完全一致后模型仍然是在良好的协议与实验数据。面板代码与后模型往往略高估KQ附近的设计条件,但PSF-2对齐恶化的结果在低比率。图4显示的结果本/澳洲公平工作委员会模型收敛性分析:不同的刀片服务器上的空间离散化和后导致KT和KQ几乎相同。
(一)
(b)
(一)
(b)
图5显示了一致后几何在两个不同的推进率(和)。显然在低比率,强烈rolledup后表。图6PSF-2预测的阴谋后几何排列在同一比例如图5。显然,PSF-2对齐没有预测过渡的收缩后半径。转换后的收缩速度是用户输入参数在PSF-2对齐。我们只是把它作为零因为这个参数不同于案件。另一方面,数字3表明在设计条件下,是否收缩后半径的预测(澳洲公平工作委员会)(PSF-2),预测的总螺旋桨的性能不会受到影响。图7显示部分对齐后减少的平面上,从不同的不同的空间离散化的叶片,螺旋桨的参考系的定义是:x沿轴向方向,y沿着径向传递关键叶片的根源,然后呢z是正常的,x和y的方向。可以观察到梢涡的汇总。同时,后几何与不同空间离散聚合相似的结果。注意,在当前模型之后,不梢涡采用核心模型。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
(d)
更详细的比较之间的结果本和跑在两个不同的叶片部分在两个不同的推进率,如图8。不同的数值方法之间的相关性非常好。结果从面板方法完全一致后模型更接近了,与PSF-2尾流模型进行比较。这是符合的结果总力量。也为澳洲公平工作委员会模式,不同的空间网格产生几乎一致的结果。的压力分布和面板不显示在图8这样的差异带来的压力可以澄清了和本/澳洲公平工作委员会。
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在的情况下板叶片,PROPCAV PSF-2尾流模型的计算时间只有1分钟在一个英特尔至强2.54 GHz CPU。澳洲公平工作委员会相同的离散化模型的叶片有60后面板回水区花了30分钟聚集在相同类型的CPU。与跑相比,这是一个很大的优势能够实现相同结果的精确度在这么短的时间内。它也很容易并行化澳洲公平工作委员会模型。模型本身之后,线性可以实现并行加速。
图9列出了收敛的澳洲公平工作委员会模型螺旋桨的历史4381年。点的平均移动距离在最后流向站后监测。请注意,一旦更新后几何,边界积分方程必须解决相应的偶极子强度的。然而,解决未知的并不是在每一步,如前所述,反演系数矩阵只是诱发的选择步骤。
应该指出,推进率足够低时,前缘涡(LEV)可以被开发,并影响压力分布和总集成的部队。格里利市(16)提出了一种半经验的涡格列弗模型方法。田和Kinnas15)开始预测LEV效果更合理的方式。同时,边界层对叶片上的压力分布的影响是明显的在高载荷。为了获得正确的KT和KQ,边界层的影响必须考虑正确。太阳和Kinnas [17)开发了一种粘性/非粘性的交互方法,耦合与边界层解算器面板的代码,XFOIL。
面板的代码在这个研究包括列弗模型和耦合与边界层解算器。粘滞效应被认为是利用实证粘性螺距校正(18)和表面摩擦系数,对应的平板在同一雷诺数基于弦长。预计将列弗模型和粘性/非粘性的互动方案到当前代码会使当前的结果更好。
5。应用程序螺旋桨DTMB 4119
Jessup [9)进行了实验测量的三叶螺旋桨尾流,DTMB 4119。本代码与澳洲公平工作委员会模型应用于这个螺旋桨,为了看到desingularized参数的影响在Rosenhead-Moore内核在评估的偶极子诱导速度。三个不同的值选择(0.03;0.05;0.075)。
图10比较梢涡的径向位置预测螺旋桨DTMB 4119杰塞普(设计推进率与实验测量9]。所有的结果接近实验数据。看起来更小的值带来更好的预测梢涡的位置。图11显示了KT和10 kq预测不同的值。显然,总螺旋桨的性能是不敏感的价值,尤其是在靠近设计条件。分别的条件下,轻微的偏差的结果不同可以注意到。可能是小的原因的汇总可以overpredicted梢涡。图11表明可以合理的候选澳洲公平工作委员会的常规应用模型。
(一)
(b)
(c)
更合理的途径来确定也可以提出。它是可能的联系与每个涡涡量强度由段后。然而,需要进一步的研究来实现这个想法。
6。结论和未来的工作
在这篇文章中,一个低阶面板方法用来预测螺旋桨的性能。后对齐模型提出了基于pseudounsteady方案。为了验证小组的基本框架代码没有完全一致后模型,该方法首次应用于3 d在低攻角翼。压力分布预测同意与跑的结果。螺旋桨工作在设计条件下,PSF-2和澳洲公平工作委员会模型预测合理的KT和KQ醒来。澳洲公平工作委员会的结果模型仍在良好的协议与实验数据即使预付比例变得越来越小。强大的汇总后的低由澳洲公平工作委员会预测模型。详细的压力与跑的比较显示,澳洲公平工作委员会大大提高了模拟的压力分布。
澳洲公平工作委员会后模型也是部分验证与实验测量螺旋桨尾流的DTMB杰塞普(4119年9]。正确的径向梢涡的位置预测。敏感性研究表明desingularized参数的不同值只有有限的影响预测总螺旋桨的性能。
KT的评价和KQ实证粘性沥青的粘性效应简化校正(18)和表面摩擦系数。在不久的将来,一个粘性/非粘性的交互模型将被包含到当前模型为了治疗粘性效应以更理性的方式。列弗模型也将被添加到当前后模型,以便更准确的压力分布对螺旋桨桨叶的顶端。
澳洲公平工作委员会的相关模型和最新的实验数据也可以是非常有用的改进本文中描述的方法。通常的PIV测量尾流INSEAN E779A螺旋桨由迪菲利斯等。19揭示了许多详细的旋涡的结构。一项调查将进行螺旋桨的几何是否可用。
确认
支持这项研究的经费由美国海军研究办公室(合同编号。n00014 - 07 - 1 - 0616和n0014 - 10 - 1 - 0931)和阶段V和VI的“财团对空化性能的高速推进器”以下当前的成员:美国船级社,大宇造船和海洋工程有限公司、川崎重工业有限公司,劳斯莱斯海洋AB,劳斯莱斯海洋,三星重工有限公司SSPA AB,瑞典,弗吉尼亚州理工大学埃舍尔Wyss GmbH,瓦锡兰推进荷兰帐面价值瓦锡兰推进挪威,瓦锡兰嘴唇S.A.S.辩护,瓦锡兰CME镇江螺旋桨有限公司