PiFlow等效盘模拟方法验证

      常见的螺旋桨数值模拟方法有以动量-叶素理论为基础的等效盘(acutator disk)和完整桨叶模型模拟方法。

      完整桨叶模型模拟方法能够完整模拟螺旋桨前后流动现象，具有计算精度高的特点。但该种方法对网格要求高，计算周期长，对非定常问题的求解难度大。

      等效盘，就是将螺旋桨桨叶旋转区域假想为一个没有厚度的圆盘，该圆盘前后气流与螺旋桨前后气流参数相同，从等效盘前后流入、流出的气流按时间平均、稳态处理来模拟螺旋桨工作，即这个圆盘对气流具有和螺旋桨桨叶类似的作用效果。这种方法对螺旋桨模拟较为简单，不能模拟桨叶细节，也难以模拟螺旋桨桨叶流动分离现象，对盘前后复杂流场的模拟相比完整桨叶模型模拟方法存在误差。但是等效盘方法在网格生成和计算速度上有着较为明显的优势，在只关注定常解的前提下进行快速评估非常有效。

案例计算单个桨盘，桨盘半径0.288m，桨毂半径0.0576m，桨盘厚度0.025m，等效盘笛卡尔网格量为161万。

图1 等效盘网格展示

图2 残差收敛曲线

流场结果展示：桨盘速度云图及流线图。

图3 速度云图

图4 流线图

PiFlow计算结果与实验结果统计如下表：

拉力系数对比表

平均轴向速度对比表

结论：

1. Piflow计算得到的速度云图可知，由于螺旋桨的作用，气流经过桨盘后，速度明显增加，且由于螺旋桨的抽吸作用，气流速度在桨盘前也有增加；

2. PiFlow计算得到的速度流线图可知，由于桨盘的抽吸作用，桨盘前的流线弯曲流向桨盘，在桨盘后，由于气流的加速作用，流管收缩，流线变得密集；

3. Piflow计算所得的拉力系数与文献结果吻合较好，误差总体较小，且盘后轴向速度增量几乎一致。