本發(fā)明涉及一種臨近空間低速飛行器的低雷諾數(shù)螺旋槳設(shè)計(jì)方法，屬于螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

臨近空間(nearspace)低速飛行器(太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)、高空氫動(dòng)力無(wú)人機(jī))在中繼通訊、軍事偵查等領(lǐng)域具有很大優(yōu)越性，但是由于其運(yùn)行環(huán)境為空氣稀薄的臨近空間，螺旋槳推進(jìn)是目前最有利的動(dòng)力方式。臨近空間太陽(yáng)能飛行器一般飛行在20km高空，由于空氣密度低，雷諾數(shù)很低。常規(guī)螺旋槳設(shè)計(jì)方法中只考慮升力系數(shù)和升阻比，而沒(méi)有考慮低雷諾造成的氣動(dòng)力下降，導(dǎo)致螺旋槳?dú)鈩?dòng)效率較低。

為了提高螺旋槳在雷諾數(shù)低的臨近空間環(huán)境的氣動(dòng)效率，有些設(shè)計(jì)方法是采用特殊設(shè)計(jì)的低雷諾數(shù)翼型，但是這種翼型在常規(guī)環(huán)境中氣動(dòng)效率較差，難以適用。因此，要使螺旋槳在臨近空間環(huán)境高效工作，采用針對(duì)低雷諾數(shù)螺旋槳設(shè)計(jì)方法是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種低雷諾數(shù)空氣螺旋槳外形確定方法，實(shí)現(xiàn)了低雷諾數(shù)空氣螺旋槳外形的快速高效確定，自動(dòng)滿足拉力，最大效率的滿足低雷諾數(shù)空氣螺旋槳的設(shè)計(jì)需求。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種低雷諾數(shù)空氣螺旋槳外形確定方法，包括步驟如下：

步驟一、確定螺旋槳的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)，基本設(shè)計(jì)指標(biāo)包括：螺旋槳轉(zhuǎn)速ω，螺旋槳槳葉數(shù)n，螺旋槳直徑2r，螺旋槳拉力t；確定螺旋槳運(yùn)行環(huán)境指標(biāo)，螺旋槳運(yùn)行環(huán)境指標(biāo)包括：來(lái)流速度v0，運(yùn)行高度h及對(duì)應(yīng)高度空氣密度ρ；其中，n為正整數(shù)；

步驟二、計(jì)算螺旋槳前進(jìn)比螺旋槳拉力系數(shù)將螺旋槳葉片等分成m份，獲得對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)匕霃?imgfile="bda0001235463000000023.gif"wi="630"he="134"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>

其中，j＝1,2,...,m-1，m為正整數(shù)；

步驟三、選定螺旋槳槳葉翼型，計(jì)算該螺旋槳槳葉翼型在設(shè)定的雷諾數(shù)初值re0時(shí)對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)cl和升阻比ε曲線，并選擇升阻比最大值對(duì)應(yīng)的攻角α0作為槳葉攻角初始值，α0對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)cl0和升阻比ε0作為螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)初值；設(shè)置初始誘導(dǎo)系數(shù)ζ0；

步驟四、計(jì)算螺旋槳槳葉當(dāng)?shù)匕霃絩處的入流角初值ψ0、螺旋槳的軸向誘導(dǎo)因子a、切向誘導(dǎo)因子b、合成氣流速度w，計(jì)算公式如下：

w＝v0×(1+a)/sinψ0；

步驟五、選定螺旋槳類型，若選定的螺旋槳為涵道螺旋槳，則計(jì)算槳葉當(dāng)?shù)匕霃絩處的弦長(zhǎng)c：c＝4πλrζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)；

若選定的螺旋槳為開放式螺旋槳，計(jì)算槳葉當(dāng)?shù)匕霃絩處的弦長(zhǎng)c：c＝4πλrgζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)；

其中，槳葉葉尖損失φm-1為步驟四中計(jì)算獲得的葉尖入流角ψ0中的第m-1個(gè)元素；

步驟六、根據(jù)步驟五計(jì)算得出的合成速度w、弦長(zhǎng)c，計(jì)算槳葉當(dāng)?shù)匕霃絩處的雷諾數(shù)re：其中，μ是運(yùn)行高度h處的空氣粘度；

步驟七、根據(jù)步驟六中計(jì)算獲得的雷諾數(shù)，計(jì)算槳葉各半徑r處翼型的升阻比ε0、升力系數(shù)cl0及對(duì)應(yīng)攻角α0；

步驟八、根據(jù)步驟七中中間參量i1、i2，計(jì)算誘導(dǎo)系數(shù)ζ'：

其中，中間參量i1、i2為：

步驟九、如果ζ'不滿足則將ζ'代替ζ0，返回步驟四重新計(jì)算；如果則根據(jù)最終獲得的槳葉攻角α、弦長(zhǎng)c及葉尖入流角ψ獲得螺旋槳，螺旋槳的安裝角分布為b＝ψ+α，方法結(jié)束；δ為設(shè)定的閾值。

所述步驟三中設(shè)定的雷諾數(shù)初值re0＝500000。

所述步驟三中設(shè)定的初始誘導(dǎo)系數(shù)ζ0＝0.1。

所述步驟九中δ＝0.01。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明針對(duì)目標(biāo)環(huán)境開展螺旋槳設(shè)計(jì)，提高了螺旋槳的設(shè)計(jì)可靠性，是一種面向環(huán)境的新設(shè)計(jì)方法，該方法優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程，全面考慮各因素對(duì)螺旋槳性能的影響，該設(shè)計(jì)方法自動(dòng)達(dá)到最優(yōu)氣動(dòng)效率，并滿足拉力要求。本方法大大提高了螺旋槳設(shè)計(jì)效率。

(2)本發(fā)明充分利用現(xiàn)有的優(yōu)良翼型及其氣動(dòng)數(shù)據(jù)，擴(kuò)大了螺旋槳的適用范圍，避免了重新設(shè)計(jì)翼型和氣動(dòng)試驗(yàn)的工作，降低了螺旋槳設(shè)計(jì)成本。

(3)本發(fā)明考慮了雷諾數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能的影響，保證了螺旋槳在低雷諾數(shù)工況下氣動(dòng)性能的性能，提高了螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種低雷諾數(shù)空氣螺旋槳外形確定方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明提出了一種低雷諾數(shù)空氣螺旋槳外形確定方法，根據(jù)螺旋槳工作基本指標(biāo)和初始條件，設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮低雷諾數(shù)對(duì)槳葉翼型的升力系數(shù)、升力阻力系數(shù)比值(升阻比)的影響，基于螺旋槳?jiǎng)傂月菪擦?，通過(guò)解析方法確定高效率螺旋槳外形。其步驟如下：

(1)確定螺旋槳的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括：螺旋槳轉(zhuǎn)速ω，螺旋槳槳葉數(shù)n，螺旋槳直徑2r，螺旋槳拉力t；

(2)確定螺旋槳運(yùn)行環(huán)境指標(biāo)，包括：來(lái)流速度v0，運(yùn)行高度h及對(duì)應(yīng)高度空氣密度ρ；

(3)根據(jù)步驟(1)、步驟(2)中給出的螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺旋槳直徑、來(lái)流速度，計(jì)算螺旋槳前進(jìn)比計(jì)算螺旋槳拉力系數(shù)將螺旋槳葉片等分成m份，獲得對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)匕霃?imgfile="bda0001235463000000043.gif"wi="629"he="135"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>其中，j＝1,2,...,m-1，m為正整數(shù)；在本實(shí)施例中，把螺旋槳葉片等分成m＝10份，對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)匕霃接脭?shù)組表示為:

r＝(0.15,0.25,0.35,0.45,0.55,0.65,0.75,0.85,0.95)r

(4)選擇螺旋槳槳葉翼型，計(jì)算翼型在雷諾數(shù)re＝500000時(shí)的升力系數(shù)cl和升阻比ε曲線，選擇升阻比最大值對(duì)應(yīng)的攻角α0，α0為槳葉攻角初始值，α0對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)cl0和升阻比ε0作為螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)初值。設(shè)置初始誘導(dǎo)系數(shù)ζ0＝0.1，此處的α0、α0對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)cl0和升阻比ε0均為與r元素?cái)?shù)相等的數(shù)組；

(5)采用步驟(3)和步驟(4)的設(shè)計(jì)參數(shù)初值，通過(guò)下式計(jì)算螺旋槳槳葉半徑r處的入流角初值ψ0：

計(jì)算螺旋槳的軸向誘導(dǎo)因子：

切向誘導(dǎo)因子：

槳葉當(dāng)?shù)匕霃絩處的合成氣流速度為：

w＝v0×(1+a)/sinψ0

如果是涵道螺旋槳，則當(dāng)?shù)匕霃絩處的弦長(zhǎng)為：

c＝4πλrζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)

如果是開放式螺旋槳，則需要考慮槳葉葉尖損失，按下式計(jì)算槳葉葉尖損失：其中，φ9為步驟四中計(jì)算獲得的葉尖入流角ψ0中的第9個(gè)元素；弦長(zhǎng)如下式表示：

c＝4πλrgζ0sinψ0/((1+a)cl0·n)

此處的ψ0、a、b、w、c均為與r同元素?cái)?shù)的數(shù)組。

(6)根據(jù)步驟(5)計(jì)算得出的合成速度w、弦長(zhǎng)c，計(jì)算槳葉當(dāng)?shù)匕霃絩處的雷諾數(shù)re：

式中μ是高度h處的空氣粘度。

根據(jù)re數(shù)計(jì)算槳葉各半徑r處翼型的升阻比ε0、升力系數(shù)cl0及對(duì)應(yīng)攻角α；

建立中間參量：

此處re，cl0，ε0為與r同元素?cái)?shù)的數(shù)組。

(7)根據(jù)步驟(6)里的i1、i2重新計(jì)算誘導(dǎo)系數(shù)ζ'：

如果ζ'和初值ζ0相差很小，如則根據(jù)步驟(4)里的攻角α0、步驟(5)里的弦長(zhǎng)c及入流角φ0獲得低雷諾數(shù)空氣螺旋槳，螺旋槳的安裝角為b＝ψ0+α0；

(8)如果ζ'不能滿足則ζ'代替ζ0，代入到步驟(5)，重新計(jì)算入流角φ'、軸向誘導(dǎo)系數(shù)a'、切向誘導(dǎo)系數(shù)b'、合成速度w'、弦長(zhǎng)c'，及r半徑處的雷諾數(shù)re'，計(jì)算re'下槳葉翼型的cl和ε曲線，找出ε'最大值對(duì)應(yīng)的攻角α'及其對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)cl'，以新選取的cl'和ε'帶入步驟(6)，重新計(jì)算誘導(dǎo)因子ζ',直到ζ'滿足的條件。螺旋槳在r處安裝角為β＝φ'+α'，弦長(zhǎng)為c'。根據(jù)最終獲得的槳葉攻角α、弦長(zhǎng)c及葉尖入流角φ獲得螺旋槳，螺旋槳的安裝角為b＝ψ+α，其中b為各半徑r處的安裝角β的數(shù)組，ψ為各半徑r處的入流角φ的數(shù)組，α為各半徑r處的攻角α的數(shù)組。至此完成了低雷諾數(shù)空氣螺旋槳的外形確定。

本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。