从科幻到现实！螺旋桨仿真技术如何改写 eVTOL “空中出行” 未来战局

LES）则受限于算力成本；最后是低雷诺数流动特殊性，小型旋翼在低转速下易出现层流分离，需结合实验数据修正翼型设计参数，传统气动理论在此场景下适用性受限。

当前主流的仿真方法包括移动参考系法、滑移网格法、重叠网格法及网格重构法，分别适用于稳态分析、瞬态响应、多体运动与大变形场景。例如，基于STAR-CCM+的动网格技术已成功模拟旋翼以1000 rad/s高速旋转时的流场分布，而流形学习算法与启发式全局优化的结合，使螺旋桨多工况设计效率提升50%以上。未来，智能化技术（如神经网络驱动的自适应网格）与多学科联合仿真（气动-结构-声学耦合）将成为突破设计瓶颈的核心方向，推动低空飞行器向更高安全性、更长航时迈进。   

  

二、移动参考系法（MRF）    

移动参考系法（MRF）通过坐标系变换将旋转部件的瞬态问题转化为稳态求解，适用于螺旋桨、风扇等旋转机械的流场分析。其核心是将计算域划分为旋转域（与螺旋桨同步运动的区域）和静止域（如机身或背景流场），通过引入旋转参考系，将绝对速度分解为相对速度与参考系运动速度。例如，在Star CCCM+中，旋转域内的流体方程在旋转坐标系下求解，静止域则采用固定坐标系，两者通过交界面（Interface）传递压力、速度等参数。这种方法的优势在于无需实时更新网格，仅需设置滑移交界面，大幅降低了计算复杂度。

  

实现步骤与关键设置如下：

1、网格划分，旋转域需完全包裹螺旋桨叶片，并与静止域保持非重叠。例如，某12叶片风扇仿真中，旋转域覆盖叶片及周边区域，静止域包含外壳及进出口流道。

2、参考系定义，在软件中创建旋转坐标系，设置转速（如2000 RPM），并将旋转域关联至该参考系。

3、交界面处理，旋转域与静止域的边界面需创建交界面，通过插值传递流场数据。

4、设置边界条件，入口通常设为速度或压力边界，出口为静压边界。需注意旋转域内的壁面（如叶片表面）需设置为旋转壁面，而静止域的外壳壁面应保持静止。

  

Star CCM+采用移动参考系，支持直接导入体网格并缩放，通过“参考坐标系”工具快速定义旋转域。例如，某风扇仿真中，入口平均压力误差控制在3%以内，计算600步内收敛。Fluent采用绝对或相对速度公式，基于压力的求解器可灵活选择动量方程表达形式。在螺旋槽干气密封仿真中，通过MRF模拟气膜动压效应，计算泄漏量与开启力，结果与瞬态方法（如滑移网格）吻合度高。移动参考系法的优点是计算高效，稳态求解大幅缩短时间，某无人机巡航状态分析中耗时仅为瞬态方法的1/5。收敛稳定，适合初步设计阶段的推力、扭矩等参数快速评估。其缺点是动态响应缺失，无法捕捉启动/停止过程的瞬态涡脱落或叶片颤振。几何适应性差，旋转域与静止域需严格分离，复杂间隙结构（如叶尖与壳体微小间隙）易导致交界面插值误差。    

三、刚体运动法（滑移网格法）

刚体运动法（滑移网格法）是一种基于瞬态求解的网格处理技术，其核心思想是通过动态划分旋转域与静止域，使旋转区域的网格随物体刚性运动，而静止域网格保持固定。两者通过交界面实现流场参数的传递，例如压力、速度的插值计算。在旋转机械（如螺旋桨、涡轮机）中，旋转域与静止域的交界面常设计为轴对称几何（如圆柱面或圆锥面），以确保滑移过程中网格无重叠且数据传递稳定。非正则网格技术的应用允许交界面两侧网格节点不一一对应，通过宿主单元搜索与插值算法（如基于重心坐标的相对体积变量计算）实现跨区域流场参数的连续映射。 

  

滑移网格法能够完整捕捉旋转过程中的瞬态流动现象，例如涡脱落、压力脉动及非定常气动干扰效应。相较于移动参考系法（MRF），滑移网格法不仅适用于稳态性能预测，还可用于动态响应分析，如无人机投弹过程的流场演变、旋翼颤振临界转速的精确评估。在复杂多体运动场景中（如船-桨-舵耦合干扰、自航模操纵性模拟），滑移网格法因其对相对运动的灵活适应性而展现出独特优势。例如，某单级轴流压缩机的瞬态流动分析中，滑移网格法成功捕捉了转子叶片与静子叶片间的周期性压力波动，并通过傅里叶变换揭示了叶片通过频率对流动脉动的主导作用。

滑移网格法的实施需遵循严格流程：首先划分旋转域与静止域网格，确保交界面几何匹配；其次定义旋转运动参数（如转速、旋转轴方向），并通过动态层网格技术优化边界层分辨率；最后设置交界面插值策略与时间步长。以某12叶片螺旋桨仿真为例，旋转域采用多面体网格加密叶尖与导边区域，静止域则使用Trimmer网格提升外场计算效率。交界面两侧各设置一层棱柱层网格以降低插值误差，计算结果与实验数据的推力误差小于5%。在软件实现层面，Star-CCM+通过“刚体运动”模块直接关联旋转域与运动参数，Fluent中需激活隐式非稳态求解器，并配置滑移边界条件。

  

尽管滑移网格法在精度上具有优势，但其对计算资源的需求显著高于稳态方法。例如，模拟螺旋桨以2000 RPM旋转时，瞬态计算耗时可达MRF方法的5倍以上，且需高内存与多核并行支持。此外，交界面处的网格质量直接影响插值精度，微小间隙（如叶尖与壳体）可能导致非物理振荡。对于大规模几何（如多级涡轮机），滑移网格法的网格生成与数据传递复杂度显著增加，需结合混合平面模型或局部加密策略平衡效率与精度。在无人机吊物仿真中，绳索与货物的动态耦合进一步要求滑移网格与六自由度模型的协同求解，这对算法稳定性提出更高要求。    

四、重叠网格法（Overset Mesh）

重叠网格法通过独立生成的网格组件在计算域中相互重叠协同工作，解决复杂几何与动态运动部件的流场模拟问题。其核心由背景网格（覆盖全局流场）和组件网格（围绕运动部件）构成，两者通过插值算法实现流场变量的传递。例如，在倾转旋翼无人机仿真中，旋翼组件网格随运动实时调整位置，与固定背景网格通过交界面交换压力、速度等参数。动态分类机制将单元分为求解单元（参与计算）、无效单元（如物体内部区域）和插值单元（需依赖背景网格数据），通过宿主单元搜索与插值算法（如线性插值或高阶插值）确保流场连续性。    

重叠网格法在复杂运动场景中展现出独特优势，一是几何适应性，各组件网格独立生成，无需因运动重构整体网格，显著降低复杂几何（如螺旋桨、涡轮叶片）的网格生成难度；二是动态灵活性，适用于多体运动（如飞机起落架展开、汽车部件联动）和复合运动（如旋转+平动组合），通过插值传递数据而非网格变形；三是计算效率优化，通过局部网格加密提升关键区域（如叶尖、缝隙）的精度，同时背景网格可采用粗网格降低全局计算量。典型案例包括无人机投弹弹道轨迹模拟、船-桨-舵耦合干扰分析，以及农业无人机喷雾作业的雾滴分布评估。

  

尽管功能强大，重叠网格法仍面临多重技术瓶颈，首先是插值精度与稳定性，重叠区域需至少包含2-4层单元以避免插值失败，且网格密度差异（如背景网格粗、组件网格细）可能导致非物理振荡；接着是计算资源消耗，动态重叠区域的插值搜索（如宿主单元匹配）与数据传递显著增加算力需求，例如某高速列车明线交会仿真需693万网格，耗时长达数小时；最后是动态调整复杂性，运动过程中需实时更新重叠区域与插值关系，若部件运动速度过快（如螺旋桨高速旋转），可能因时间步长限制导致插值失效。此外，复杂几何的孤点单元（无贡献单元）需通过扩大重叠区域或调整网格密度规避。

五、网格重构法（Mesh Remapping）

网格重构法是一种针对大变形问题的动态网格更新技术，其核心在于实时监测网格质量并局部或全局重新划分畸变单元，以维持数值计算的稳定性与精度。该方法通过设定网格尺寸阈值（最小/最大长度尺度）和偏斜度标准，标记低质量网格并触发重构流程。   

  

网格重构法在处理极端变形场景中展现出独特优势，能够应对更高幅度的几何形变，例如旋喷泵叶片高速旋转时，重构技术可动态更新叶尖间隙区域的网格，避免负体积网格导致的求解崩溃。对于多物理场耦合问题（如流固耦合、气动噪声），重构法通过动态调整网格密度，兼顾计算效率与关键区域的精度需求。

网格重构法的实施面临多重技术瓶颈。首先，插值精度高度依赖新旧网格的拓扑相似性，若重构区域物理场梯度剧烈（如激波面、相变界面），变量映射可能引入非物理振荡。其次，宿主单元搜索与数据传递算法（如基于八叉树的空间划分）显著增加计算开销，例如某高速列车明线交会仿真中，动态重构导致计算耗时增加40%。此外，复杂几何的微小特征（如叶尖与壳体间隙）需预设加密层以避免插值失效，这对初始网格生成策略提出严苛要求。对于多体运动耦合问题（如无人机吊挂货物摆动），重构算法还需与六自由度模型协同，进一步考验算法的鲁棒性。

  

旋翼无人机工程仿真全教程105讲

六、方法对比与选型建议

1、移动参考系法（MRF）

移动参考系法通过坐标系变换将旋转问题简化为稳态求解，适用于螺旋桨、风机等旋转机械的定常性能分析。其优势在于计算效率高且收敛性好，例如在风机巡航状态下，MRF可通过固定网格与滑移交界面实现快速推力与扭矩预测，计算耗时仅为瞬态方法的1/5。然而，MRF无法捕捉瞬态涡脱落、动态启动/停止过程等非定常效应，且在复杂几何间隙（如叶尖与壳体微小间隙）或部件倾转场景中易出现交界面插值误差。因此，MRF更适合初步设计阶段的稳态参数优化，或作为瞬态仿真的初始场生成工具。

2、刚体运动法（滑移网格法）

滑移网格法通过动态划分旋转域与静止域，实现瞬态流场的高精度模拟。其核心在于旋转域网格随物体刚性运动，与静止域通过滑移交界面传递流场参数。相较于MRF，滑移网格法能够完整捕捉周期性压力脉动、涡脱落及动态干涉效应，例如在无人机投弹流场演化或旋翼颤振分析中具有不可替代性。然而，该方法对计算资源需求较高，相同转速下耗时可达MRF的5倍以上，且交界面网格质量直接影响插值稳定性。对于多体耦合运动（如船-桨-舵干扰），滑移网格需结合六自由度模型，进一步增加算法复杂度。

3、重叠网格法（Overset Mesh）

重叠网格法通过独立生成的背景网格与组件网格动态重叠，解决复杂几何与大范围运动的流场模拟问题。其优势在于几何适应性强，组件网格可独立加密关键区域（如叶尖、缝隙），同时避免全局网格重构。例如，在倾转旋翼机仿真中，组件网格可同时模拟旋翼倾转与旋转，背景网格则捕捉机身绕流。然而，重叠区域需至少保留2-4层网格以保证插值精度，网格密度差异可能引发非物理振荡，且宿主单元搜索算法显著增加计算开销。该技术在多体运动（如飞机起落架展开）和复合运动（旋转+平动）场景中表现突出，但对湍流模型与求解器兼容性要求较高。

4、网格重构法（Mesh Remapping）

网格重构法通过动态监测网格畸变并局部/全局重新划分单元，应对材料断裂、相变界面演化等大变形问题。然而，物理量插值精度受新旧网格拓扑相似性影响，剧烈梯度场（如相变界面）易引入数值误差。此外，动态重构导致计算耗时增加40%以上，且微小几何特征（如叶尖间隙）需预设加密层以避免插值失效。该方法在多物理场耦合（如流固耦合、气动-热耦合）中具有潜力，但需与六自由度模型协同优化鲁棒性。

5、综合选型建议

a)稳态性能评估：优先选择移动参考系法（MRF），尤其适用于风机、泵类旋转机械的巡航状态分析，或作为瞬态仿真的初始场生成工具。    

b)瞬态动态响应：需捕捉涡脱落、压力脉动等非定常效应时，采用滑移网格法；若涉及多体复合运动（如旋翼倾转+平动），则切换至重叠网格法。    

c)复杂几何与大变形：重叠网格法适合多部件独立运动场景（如起落架展开），而网格重构法更适用于材料断裂、相变等极端变形问题。    

d)资源与精度权衡：在计算资源受限时，MRF或重叠网格的局部加密策略可平衡效率与精度；高保真需求下，滑移网格与网格重构法需配合高性能计算集群。