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基于Fluent UDF的旋翼前飞变距气动仿真讲解

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本文摘要(由ai生成):

这篇文章主要介绍了利用 CFD 软件进行直升机旋翼前飞数值仿真的案例。文章在工程背景和案例描述之后,详细介绍了仿真思路,提出综合采用滑移网格、嵌套网格和 UDF 技术来实现仿真。在网格划分部分,文章提出需要划分三层两套网格,并详细介绍了各网格的作用。在运动指定与求解部分,文章提出需要利用 Define_Zone_Motion 宏进行区域运动的指定,并介绍了如何在 fluent 中直接进行后处理获取结果。最后,文章提供了《基于 fluent 的旋翼前飞变距气动仿真》的视频教程。


导读:大家好,我是仿真秀专栏作者无人机工坊(曾用名Graychen)一位不断学习与分享的飞行器设计工程师。自2019年6月首次在仿真秀发布原创文章《3年!我收获了22条ICEM使用经验与网格划分错误分析》以来,我陆续在仿真秀推出了各种无人机设计仿真教程(包括无人机行业仿真技术进阶-固定翼和旋翼类飞行器设计等):

[1] 基于Fluent的无人机用无刷电机的流-热耦合分析

[2] 在Isight平台上进行的基于CST参数化+Xfoil的无人机翼型优化

[3] 无人机设计仿真流程讲解与案例实操

[4] 利用XFLR5进行无人机气动数据分析

[5] MQ-9捕食者无人机Fluent气动和飞行稳定性分析

因此我也收获了大量用户好评和仿真秀2021年度优秀讲师荣誉称号。

即日起,笔者继续给无人机设计仿真兴趣爱好者和工程师,带来自己工作中的一些技术经验总结,希望能够引发同行和学习者一些共鸣,如有不当,欢迎批评指正,共同进步欢迎读者朋友在文章末尾点赞或收藏。

一、工程背景

直升机的旋翼是产生升力的部件,旋翼的本质是旋转的机翼,与固定翼飞机的机翼原理是类似的。
在悬停或者垂直飞行状态时,旋翼的桨叶和空气之间由于旋翼的旋转产生相对运动,桨叶的气流相对速度分布相对于旋翼中心是对称的,因此作用在旋翼各桨叶上的升力和阻力相对于旋翼中心也是对称的,通过变距铰来改变旋翼的总距,进而改变升力的大小。
在直升机前飞、侧飞、倒退飞行时,各桨叶上气流相对于旋翼的中心是不对称的,这个时候如果没有特殊的桨毂结构,就会产生升力的不平衡。直升机的旋翼桨毂通过周期变距来解决这些问题。
由于旋翼在前飞时运动规律非常复杂,因此在利用CFD软件进行数值仿真时,需要特别的技巧。
直升机旋翼桨毂结构原理图

二、案例描述

本案例教程对某一旋翼的前飞状态进行数值模拟:
前进比 ,转速300RPM,挥舞角 ,桨叶尖部到转轴距离3.6米,变距角:

其中 为旋翼的方位角, 为总距角。对于本教程中的几何模型,总距角为8。

旋翼几何模型

旋翼带有扭转

三、仿真思路

利用fluent软件求解了直升机旋翼前飞非定常流场。在fluent中,模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动的方法有许多种,动网格技术是其中的一种。但是动网格技术在应用时有许多限制,尤其是处理大变形时容易出现网格负体积报错的情况。
FLUENT嵌套网格(overset)克服了动网格容易出现负体积的问题,可以处理小间隙运动,这些运动方式可以是任意的,采用嵌套网格可以避免动网格带来的网格质量变差,负体积等情况,而且设置相对简单,可以有效的提高计算的效率。嵌套网格的缺点在于几何网格的处理和计算精度问题,计算精度是软件开发工程师需要考虑的问题,我们使用者只需要关注软件的使用。
为了避免动网格技术的缺陷,故而综合采用滑移网格、嵌套网格和UDF技术来实现仿真。采用这种技术,网格系统包含三个层次的网格:静止的背景网格, 相对于背景网格只有旋转运动的中间过渡网格, 相对于中间过渡网格只有周期性变距和挥舞的旋翼网格。
通过UDF技术来指定旋翼网格的运动来实现旋翼的变距与挥舞。

四、网格划分

需要划分三层两套网格,背景网格和中间过渡网格为一套网格,旋翼网格为一套网格。

背景的静止网格和旋转的中间过渡网格

中间过渡网格与旋翼网格

五、运动指定与求解

将划分好的前景网格和背景网格导入到fluent中进行求解设置,除了常规设置外,需要特别注意是旋翼网格区域overset边界的设置和背景静止网格与中间过渡网格的数据传递的interface面的设置。该案例的运动部件是旋翼,旋翼不仅仅要绕着整体转轴进行转动,还需要绕自身的转轴进行变距转动,这些运动都无法在fluent里面直接设置,为了表达旋翼的这种复杂运动,需要利用Define_Zone_Motion宏进行区域运动的指定。该宏能够指定每一时间步的转轴位置、转轴方向以及线速度和旋转角速度,Fluent利用这些参数更新旋翼动态区域的网格节点位置。

六、结果的分析

瞬态求解完毕后,由于CFD-POST无法处理嵌套网格的案例,因此在fluent中直接进行后处理获取速度,压力云图,获取流动矢量图等来探求直升机前飞过程中的旋翼气动特性。
Ct与转动角度的关系曲线

Z=1处的面的压力云图

七、写在最后

为了降低主旋翼的周期变距和挥舞仿真的演示案例的复杂度,几何模型只包含了旋翼部分,没有涉及到机身等其他部件。如果需要进行旋翼与其他部件相互影响的仿真,只需要按照本文介绍的方法,创建好相应的几何模型后在网格划分的时候将这些部件一并划分即可。

本文案例对应视频教程基于fluent的旋翼前飞变距气动仿真》已经同步发布在仿真秀官网和APP,可下载模型或查看视频操作过程。

《基于fluent的旋翼前飞变距气动仿真》

如果你对本课程的模型感兴趣,或者希望查看对应视频教程,请识别下方二维码试看课程操作步骤。
限于作者水平和软件操作习惯等因素,错误必然很多,对于文中不正确的地方,欢迎大家批评指正。

(完)


来源:仿真秀App
FluentCFD-PostIsight动网格UDF电机CSTXFLR5无人机
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-03-28
最近编辑:7月前
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