微型飛行器螺旋槳氣動優(yōu)化設(shè)計

微型飛行器螺旋槳氣動優(yōu)化設(shè)計

云計算軟件在dg螺釘?shù)膭討B(tài)設(shè)計在小型飛機(jī)的設(shè)計中起著重要作用，包括選擇螺旋幾何參數(shù)和動態(tài)性能。目前,微型飛行器螺旋槳的選擇主要是通過經(jīng)驗來進(jìn)行的,難以使螺旋槳具有最佳的氣動性能。本文提出了一種用于微型飛行器螺旋槳的氣動優(yōu)化設(shè)計方法:基于有限片槳葉的固定渦系模型,采用遺傳算法對槳葉的幾何特性參數(shù)包括寬度和安裝角的分布進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。同時,更精確地考慮了槳葉不同剖面處雷諾數(shù)的變化。由于微型飛行器螺旋槳的工作雷諾數(shù)約在2×104～9×104的范圍內(nèi),程序中提供了一系列螺旋槳常用翼型在該雷諾數(shù)范圍內(nèi)的空氣動力特性數(shù)據(jù),可以在槳葉不同特征剖面根據(jù)其雷諾數(shù)的不同對翼型進(jìn)行詳細(xì)的選擇。最后,根據(jù)該設(shè)計方法制作了用于螺旋槳氣動優(yōu)化設(shè)計和性能計算的軟件,該軟件采用圖形用戶界面的形式實現(xiàn),能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入,計算結(jié)果以圖形和表格的形式給出,并能根據(jù)設(shè)計結(jié)果顯示螺旋槳的三維線框圖。圖1為軟件界面。1螺旋槳空氣動力學(xué)分析1.1由大量自由試索的螺渦流面和中心豫束采用圖2所示的固定渦系模型,該渦系由三部分組成:沿槳葉分布的變化的附著渦、每片槳葉后緣逸出的由大量自由渦形成的螺旋渦面和中心渦束。該渦系模型計入了槳葉片數(shù)的影響,包括葉間干擾和旋轉(zhuǎn)中槳葉位置的變化,能夠較真實地給出誘導(dǎo)速度的分布。1.2徑r處槳葉環(huán)量及升力系數(shù)圖3為在半徑r處槳葉截面上的速度多邊形,圖中v0為來流速度;w為渦所激起的誘導(dǎo)速度;Ω為螺旋槳轉(zhuǎn)速;W為氣流速度;ue001φ為安裝角;α為迎角。R為螺旋槳半徑,定義ˉr=r/R,ˉw=w/ΩR,ˉW=W/ΩR,ˉv0=v0/ΩRrˉ=r/R,wˉˉˉ=w/ΩR,Wˉˉˉˉ=W/ΩR,vˉ0=v0/ΩR,槳葉寬度為b,相對寬度為ˉb=b/Rbˉ=b/R。在半徑r處槳葉截面上的環(huán)量為ˉΓ(ˉr)=12ClˉbˉW=12α∞(φ-β-ˉwˉW)ˉbˉW(1)Γˉˉˉ(rˉ)=12ClbˉWˉˉˉˉ=12α∞(φ?β?wˉˉˉWˉˉˉˉ)bˉWˉˉˉˉ(1)式中:Cl為升力系數(shù);α∞為升力線斜率。沿槳葉環(huán)量分布ˉΓ(ˉr)?！ァァ?rˉ)可用一三角級數(shù)表示ˉΓ(φ)=∞∑m=1AmˉΓm=∞∑m=1Am(1-cosφ)sinmφ(2)?！ァァ?φ)=∑m=1∞Am?！ァァ=∑m=1∞Am(1?cosφ)sinmφ(2)式中:cosφ=1-2ˉrcosφ=1?2rˉ;Am為級數(shù)中的待定系數(shù)。令ˉwmwˉˉˉm為螺旋槳平面內(nèi)相應(yīng)于環(huán)量ˉΓm?！ァァ的激起速度,總的激起速度ˉwwˉˉˉ用下列級數(shù)表示ˉw=∞∑m=1Amˉwm(3)wˉˉˉ=∑m=1∞Amwˉˉˉm(3)將式(2,3)代入式(1)得n∑m=1Am(2ˉΓm+α∞ˉbˉwm)=α∞(?-β)ˉbˉWm=1,2,??n(4)∑m=1nAm(2?！ァァ+α∞bˉwˉˉˉm)=α∞(??β)bˉWˉˉˉˉm=1,2,??n(4)通過在槳葉上選取n個不同的截面,將螺旋槳的參數(shù)帶入上式,求解一n次線性方程組可得待定系數(shù)Am,然后由式(2,3)可確定槳葉上的環(huán)量及誘導(dǎo)速度分布。1.3翼型升阻比及入流角誘導(dǎo)速度分布確定后,可求出槳葉截面處的實際迎角,最后可得螺旋槳的拉力系數(shù)和功率系數(shù)CΤ=k2π∫1ˉr0ˉW2ClbR(1-εtanθ)cosθdˉr(5)CΡ=k2π∫1ˉr0ˉrˉW2ClbR(ε+tanθ)cosθdˉr(6)CT=k2π∫1rˉ0Wˉˉˉˉ2ClbR(1?εtanθ)cosθdrˉ(5)CP=k2π∫1rˉ0rˉWˉˉˉˉ2ClbR(ε+tanθ)cosθdrˉ(6)式中入流角θ=β+Δα,ε為翼型升阻比的倒數(shù)。2優(yōu)化工程氣態(tài)2.1氣動彈性設(shè)計遺傳算法是一種基于生物自然選擇與遺傳機(jī)理的隨機(jī)搜索算法,具有如下優(yōu)點:遺傳算法只使用報酬信息,而不是用導(dǎo)數(shù)或其他輔助知識,這不僅避免了繁雜的求導(dǎo)計算,而且可以處理無法求導(dǎo)的問題;遺傳算法可以處理任意形式的目標(biāo)函數(shù)和約束,這尤其適用于多變量、沒有明顯的解析表達(dá)式和多約束的螺旋槳的氣動設(shè)計問題。在本文的螺旋槳氣動優(yōu)化設(shè)計中,選擇推進(jìn)效率作為目標(biāo)函數(shù),根據(jù)不同的優(yōu)化條件,選擇功率系數(shù)等于發(fā)動機(jī)的可用功率系數(shù)或拉力系數(shù)等于設(shè)計拉力系數(shù)作為等式約束條件,設(shè)計變量為槳葉沿半徑的寬度、安裝角的分布。采用如下遺傳算法來實現(xiàn):實數(shù)編碼,算術(shù)交叉,非均勻變異,最好種群選擇。2.2利用1-t值的描述,把這作為一個變量,作為測量它,根據(jù)變化的趨勢,把這描述的描述方法確定為用貝塞爾樣條來描述槳葉的寬度和安裝角沿半徑的分布。設(shè)貝塞爾樣條的起點是(x0,y0),終點是(x3,y3),兩個控制點是(x1,y1)和(x2,y2),隨著t值從0到1的變化,就可以畫出曲線x(t)=(1-t)3x0+3t(1-t)2x1+3t2(1-t)x2+t3x3y(t)=(1-t)3y0+3t(1-t)2y1+3t2(1-t)y2+t3y3采用這一描述方法后,用端點和控制點作為設(shè)計變量,這樣,用很少的設(shè)計變量就可以得到各種可能的槳葉寬度和安裝角的分布,加快了計算速度。同時,又由貝塞爾樣條的特點可以看出所得的設(shè)計結(jié)果更加切合實際,避免了變化劇烈的、不連續(xù)的槳葉寬度或安裝角分布的產(chǎn)生。3使用示例3.1轉(zhuǎn)速對動力學(xué)特性的影響在實驗中選擇了三種不同尺寸的螺旋槳,分別為150mm×75mm(直徑150mm,螺距75mm)、102mm×50mm和75mm×30mm螺旋槳,在靜態(tài)下用微型飛行器螺旋槳測試平臺測得不同轉(zhuǎn)速時的拉力和扭矩。圖4,5為性能計算結(jié)果與實驗值的對比。3.2m65mm螺釘某一發(fā)動機(jī)輸出功率約為51W,轉(zhuǎn)速為12500r/min,與其相配的為150mm×75mm螺旋槳(直徑150mm,螺距75mm。設(shè)飛行速度為50km/h,在相同直徑及轉(zhuǎn)速下,采用本文方法設(shè)計出的螺旋槳的寬度、安裝角分布與150mm×75mm螺旋槳相對比如圖6,7所示,圖8為推進(jìn)效率的對比,圖9為所設(shè)計的螺旋槳的三維線框圖。4數(shù)值試驗結(jié)果(1)基于本文采用的螺旋槳氣動模型,得出的性能計算結(jié)果與