[發明專利]一種螺旋槳與發動機混合維數仿真方法

有效

• 申請號: 201910304438.1
• 申請日: 2019-04-16
• 公開（公告）號: CN110020491B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 尤延鋮;李偉;朱劍鋒
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

一種螺旋槳與發動機混合維數仿真方法，涉及數值仿真方法。針對螺旋槳與發動機的數值仿真現狀，提出了一種將螺旋槳一維及三維數值仿真與發動機一維性能分析相結合的混合維數仿真方法，通過構建螺旋槳與發動機的流量及功率平衡兩個平衡方程，實現三維螺旋槳及一維發動機的混合維數仿真。將螺旋槳的三維數值仿真與發動機的一維總體性能仿真相結合，相比于傳統的一維螺旋槳與發動機氣動特性仿真，可實現螺旋槳對發動機的氣動穩定性分析，可在互相迭代的過程中得到更為準確的螺旋槳與發動機數值仿真結果，避免了在進行螺旋槳與發動機一體化整機試驗時造成的人力、物力以及經濟、時間上的不必要的損耗。

技術領域

本發明涉及數值仿真方法，尤其是涉及一種螺旋槳與發動機混合維數仿真方法。

背景技術

渦輪螺旋槳(簡稱渦槳)發動機是一種主要依靠螺旋槳產生拉力或推力驅動飛機的航空動力裝置，適合中等飛行速度(400～800km/h)的飛機使用。與航空活塞式發動機相比，渦槳發動機具有功重比大、迎風面積小、振動小等優點，特別是隨著飛行高度的增加，其性能更為優越；與渦輪噴氣和渦扇發動機相比，它又具有耗油率低、起飛推力大等優點。由于渦槳發動機具有技術成熟，可靠性高，耗油率低的優勢，目前世界上多數支線飛機、通用航空飛機和我國研制的幾乎所有民用飛機，尤其是我國的多數無人機均采用渦槳發動機作為推進動力。

現代渦槳發動機一個典型的特點是槳葉拉力通過改變槳距角進行調節。槳距角調節過程中，為維持槳葉轉速不變，槳葉所需的功率也隨之變化，發動機為保證動力渦輪輸出功率與槳葉所需功率匹配，燃氣發生器轉速會相應地進行調整，發動機進口壓力、流量等參數也隨之變化。發動機進口壓力、流量等參數變化，將導致螺旋槳特性的改變，螺旋槳所需功率隨之改變，進氣道實際捕捉面積將發生變化，可能產生溢流現象，因此，螺旋槳與發動機兩者工作狀態之間相互耦合，存在強烈的氣動干擾。([1]劉沛清.空氣螺旋槳理論及其應用[M].北京航空航天大學出版社,2006；[2]陳榮錢,王旭,尤延鋮.短艙對螺旋槳滑流影響的IDDES數值模擬[J].航空學報,2016,37(6))

目前，在數值仿真研究方面，考慮到發動機現階段只能開展一維總體性能分析，因其針對螺旋槳/發動機的氣動干擾問題，其主要解決途徑為兩種方式：①將螺旋槳一維氣動特性與一維發動機總體性能分析相結合，從一維分析角度開展氣動干擾的研究，但由于螺旋槳尾跡存在明顯的三維特征，三維流動帶來的壓力、溫度空間畸變特性不能在一維分析中得以體現；②將三維螺旋槳數值仿真與一維發動機總體性能相結合，通過分析發動機進口截面的流場特征，實現螺旋槳對發動機性能及穩定性的影響分析，但目前尚未考慮發動機狀態變化對螺旋槳三維仿真的影響分析。

發明內容

本發明的目的旨在提供通過構建螺旋槳與發動機的流量及功率平衡兩個方程，實現螺旋槳的三維數值仿真結果與發動機一維總體性能仿真結果之間的相互迭代，并得到更為準確的螺旋槳與發動機數值仿真結果的一種螺旋槳與發動機混合維數仿真方法。

本發明包括以下步驟：

1)針對螺旋槳的槳距角及槳葉轉速狀態，采用螺旋槳一維氣動估算方法預估螺旋槳功率需求及發動機進口截面的總壓；

2)基于發動機一維總體性能分析程序，根據螺旋槳預估功率及發動機進口截面的總壓，開展發動機一維總體性能仿真，保證發動機輸出功率滿足螺旋槳預估功率需求；

3)基于發動機一維總體性能仿真得到的發動機進口截面流量特性，將發動機流量代入三維螺旋槳發動機進口邊界條件，開展在該發動機流量狀態下的螺旋槳特性三維仿真；

4)對比三維螺旋槳及一維發動機總體性能仿真的流量及功率結果，以螺旋槳所需功率與發動機輸出功率平衡、三維進氣道出口流量與發動機進口流量平衡為約束條件，通過微調發動機的轉速特性，調節發動機的輸出功率及流量，最終實現螺旋槳與發動機的功率及流量平衡，完成三維螺旋槳及一維發動機的混合維數仿真。