题目：螺旋桨滑流与机翼相互影响数值模拟研究

航空螺旋桨经历了百年的发展，其最大优点是节省燃油，在国际原油价格节节飙升的今天，其应用重新被人们所关注。在螺旋桨飞机设计中，螺旋桨滑流与机翼和尾翼发生干扰，对飞机气动性能和操控性能会产生较大的影响。20世纪八九十年代，计算能力大大提升之后，螺旋桨飞行器的研究方法主要为计算流体力学（CFD）探索中，对螺旋桨滑流与机翼之间相互影响机理研究一直是重点，目前的研究中，采用实体模型研究滑流对机翼干扰的较少，主要因为螺旋桨模型对网格数量和计算资源的要求非常大，想得到合理的结果，网格数量最少须达到几千万量级，并且还会消耗大量的计算机时，且只能进行简单构型的数值模拟研究，特别针对滑流对多段翼型气动性能、起降构型全机气动性能和操控性能等影响的研究甚少。出于以上原因，世界各国学者研究滑流影响时仍然采用动力盘代替实体螺旋桨，这样可以大大节省网格数量和计算机时，但对动力盘模型的合理性，与实体螺旋桨计算结果的吻合程度等较少见到这方面的报道。本文研究的重点是，通过实体螺旋桨的数值模拟结果，详细分析滑流区流动机理和特性，提出一种可以更加合理地代替实体螺旋桨研究滑流对机翼气动性能影响的计算模型。本论文所获得的主要创新点如下：1、针对某型螺旋桨进行了三维实体数值模拟，采用全结构网格，在设计工况下对三维实体螺旋桨绕流用定常N-S方程进行了数值求解，深入分析了滑流区不同截面流动特征与流场结构，对比发现螺旋桨下游滑流区各截面诱导速度及其分布规律与片条理论假设基本一致，从而证实了轻载螺旋桨滑流（侧收缩性小，可以不考虑）区，可用中心涡带和涡柱体模型；在离螺旋桨旋转平面下游0.6R处以后各滑流区横截面上，详细给出轴向、环向、径向诱导速度系数的分布。这些结果，为动力盘模型的修正提供科学依据。2、在原始动力盘模型的基础上，根据实体螺旋桨模型的数值计算结果，修正了轴向速度分布及旋转速度，提出动力盘模型的修正模型，由该模型得到的计算结果，在离旋转平面下游0.6R处以后各滑流区横截面上轴向、环向和径向速度诱导系数分布与三维实体螺旋桨数值模拟的结果吻合良好，证实了修正动力盘模型的合理性和可行性。3、对某型飞机螺旋桨与机翼巡航构型下的干扰流场进行了非定常流数值模拟，三维实体螺旋桨采用四叶桨，直径4.5m，转速为1075r/min，机翼半展长19.32m，飞行速度为540km/h。数值模拟采用滑移网格技术，全场网格数为1100万。分析不同迎角下螺旋桨滑流对机翼气动性能的影响规律，结果表明：（1）螺旋桨受到其后机翼的阻塞效应而使拉力改变；（2）在不同迎角下，螺旋桨滑流对机翼的影响规律不同，在较小迎角下，上下洗作用相互抵消造成机翼的增升效果不明显，但在较大迎角下机翼增升效果明显；（3）不同迎角下，螺旋桨滑流都增大机翼阻力。4、鉴于实体螺旋桨数值研究滑流与机翼之间气动干扰问题需要网格数量巨大，采用考虑迎角的改进动力盘模型作为实体螺旋桨替代，所用的数值模拟网格数量为700万，对比分二者之间的气动数据差别，发现与原始动力盘模型相比，改进的动力盘模型计算结果较好地改进了滑流区的轴向和环向诱导速度分布，明显提高了计算精度，与三维实体螺旋桨结果吻合良好。考虑迎角的改进动力盘模型是代替三维实体螺旋桨的理想模型。