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螺旋桨/风力机的定常与非定常数值模拟技术研究

作　者: 杨小川
导　师: 王运涛
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 螺旋桨等效盘非定常滑流 TRIP3.0
分类号: V211.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

进入21世纪后，节能减排和发展绿色能源已成为当今时代主题，特别是在航空、风能等领域，发展先进螺旋桨发动机以及大型风力机越来越受到重视和青睐。在螺旋桨和风力机等旋转机械的研究上，主要分为数值模拟、风洞实验和飞行试验/外场测量。随着计算机技术和数值理论方法的不断发展，采用数值模拟具有明显优势：一是可直接模拟其真实模型和来流状态，使得模拟条件更接近实际；二是不需要模型的加工、不存在各种干扰问题，具有周期短、成本低的优点；三是方便地进行多种构型、多种组合体等气动设计和优化设计，具有通用性好、扩展性强的优点。为此，本文基于自主开发的大型“亚跨超CFD软件平台”（TRIP3.0），建立了针对螺旋桨、风力机等旋转机械的定常和非定常计算模块，并采用定常和非定常Euler两种方法对单独螺旋桨进行验证算例研究；对某型涡桨飞机进行全机数值模拟研究，特别是螺旋桨滑流的非定常效应研究；同时采用非定常N-S方程对NRELPhase VI风力机模型进行非定常计算验证工作，对比分析了叶片不同站位处的压力分布以及不同真实时间步长对计算结果的影响。本文共分六章，各章内容概述如下：绪言概括了螺旋桨和风力机等旋转机械问题研究的背景和意义，简要回顾了螺旋桨理论方法的发展概述以及数值模拟的发展概况，最后介绍了本文的主要工作情况。第二章详细介绍了螺旋桨数值模拟的主要方法，如控制方程、离散格式、加速收敛技术、网格生成技术等格式和方法。第三章采用定常和非定常两种方法对单独螺旋桨进行了算例验证工作，并与风洞实验进行了对比。第四章通过涡桨飞机的全机复杂外形模拟研究，对比分析了定常和非定常两种计算方法下的计算结果，并对桨叶非定常的滑流效应进行了研究。同时，对比分析了定常与非定常两种方法在不同迎角、转速条件下的计算结果。第五章采用非定常N-S方法对NREL Phase VI风力机模型进行了多种工况下的数值模拟，重点对比分析了叶片不同站位处的压力系数；分别采用动态拼接网格和刚性运动网格技术进行对比分析。为保证计算的准确性，进行了不同真实时间步长的对比研究，初步验证了方法的可行性以及准确性。第六章为本文结束语，在完成本文工作总结的同时，提出了下一步工作的方向。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪言  11-21
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 螺旋桨理论方法的发展概述  13-16
  1.3 螺旋桨数值模拟的发展概况  16-19
  1.4 本文主要工作  19-21
第二章数值模拟方法  21-37
  2.1 引言  21
  2.2 控制方程  21-28
    2.2.1 Navier-Stokes 方程  21-25
    2.2.2 Spalart-Allmaras 湍流模型  25-27
    2.2.3 K-Omega SST 湍流模型  27-28
  2.3 时间离散  28-30
    2.3.1 定常问题的时间离散  28-29
    2.3.2 非定常问题的时间离散  29-30
  2.4 空间离散  30-31
  2.5 多重网格技术  31-32
  2.6 大规模并行计算技术  32-33
  2.7 动网格技术  33-37
    2.7.1 动态重叠网格技术  33-34
    2.7.2 动态拼接网格技术  34-35
    2.7.3 刚性运动网格技术  35-37
第三章空气螺旋桨的算例验证研究  37-49
  3.1 引言  37
  3.2 等效盘模型  37-39
    3.2.1 盘前后压差确定  38
    3.2.2 盘前后周向速度确定  38-39
    3.2.3 盘前后边界条件设置  39
    3.2.4 桨盘旋转方向确定  39
  3.3 拉力系数确定  39
  3.4 验证对象和方法  39-40
    3.4.1 研究对象  40
    3.4.2 计算方法和状态  40
  3.5 计算网格  40-41
    3.5.1 定常网格  40
    3.5.2 非定常网格  40-41
  3.6 定常结果分析  41-42
    3.6.1 圆盘前后收缩特性  41
    3.6.2 圆盘前后参数变化  41
    3.6.3 计算值与试验值比较  41-42
  3.7 非定常结果分析  42-43
  3.8 本章小结  43-49
第四章涡桨飞机的全机数值模拟研究  49-71
  4.1 引言  49
  4.2 计算对象和方法  49-50
  4.3 计算网格生成  50-51
    4.3.1 定常计算网格  50
    4.3.2 非定常计算网格  50-51
  4.4 定常结果分析  51-52
    4.4.1 滑流对流场的影响  51
    4.4.2 滑流对气动性能的影响  51-52
    4.4.3 旋转方向对气动性能的影响  52
  4.5 非定常结果分析  52-54
    4.5.1 滑流对流场的影响  52-53
    4.5.2 不同迎角对全机气动特性影响  53-54
    4.5.3 不同转速对全机气动特性影响  54
  4.6 定常/非定常结果对比分析  54-55
    4.6.1 流场对比  54
    4.6.2 不同迎角全机气动特性对比  54
    4.6.3 不同转速全机气动特性对比  54-55
  4.7 本章小结  55-71
第五章 NREL PHASE VI 风力机算例验证与分析  71-83
  5.1 引言  71
  5.2 计算对象和方法  71
  5.3 压力系数的确定  71-72
  5.4 计算网格生成  72
    5.4.1 动态拼接网格  72
    5.4.2 刚性运动网格  72
  5.5 刚性运动网格结果分析  72-74
    5.5.1 流场结果分析  73
    5.5.2 气动特性分析  73
    5.5.3 不同真实时间步长对比  73-74
  5.6 不同动网格技术结果对比  74
  5.7 本章小结  74-75
  附图  75-83
第六章结束语  83-85
  6.1 本文工作总结  83-84
  6.2 下一步工作计划  84-85
致谢  85-87
参考文献  87-91
攻读硕士学位期间发表的论文  91-93
附录1 TRIP3.0 简介  93

螺旋桨/风力机的定常与非定常数值模拟技术研究

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