Математическое и компьютерное моделирование однорядных и двухрядных шестилопастных винтокольцевых движителей

Предмет исследования. Рассмотрена проблема компьютерного моделирования эффективных движителей типа винт в кольце. По опыту применения в рулевых фенестронах вертолетов спаренных лопастей известно, что такая конфигурация создает меньше шума по сравнению с равномерным расположением лопастей по окружности. Однако поток за таким винтом менее равномерный, чем у обычного винта в кольце. Для беспилотных воздушных судов мультикоптерного типа и аэротакси ключевой проблемой является полет на режимах взлета и посадки, а также акустические и вихревые поля, создаваемые движителями на данных режимах. Снижение уровня шума у движителей со спаренными лопастями потенциально может сопровождаться усилением нестационарных вихревых воздействий на летательный аппарат, а также снижением удельной тяги. В данной работе предложена методика численного моделирования винтокольцевых движителей на режиме взлета и посадки, определении оптимального угла между лопастями, а также в сравнении винтокольцевого движителя со спаренными Х-образными лопастями с обычными винтами. Метод. Расчет турбулентных течений выполнен с использованием нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса с привлечением модели Shear Stress Transport (SST) модели турбулентности и моделирования крупных вихрей с применением модели подсеточной вязкости WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity). В расчетах использована модификация γ–Reθ Transition SST модели турбулентности Лэнгтри−Ментера, в которой имеются соотношения для критерия перемежаемости. Это позволило учесть ламинарно-турбулентный переход и появление тонких ламинарных отрывных пузырей, влияющих как на тягу винта, так и на неравномерность течения за ним. Тестирование проведено на четырехлопастных винтокольцевых движителях по известным результатам эталонных экспериментов Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского.

Основные результаты. Тестирование γ–Reθ Transition Shear Stress Transport (tSST) модели турбулентности Лэнгтри−Ментера показало, что она лучше стандартной SST-модели воспроизводит зависимость коэффициентов тяги и мощности от угла установки лопастей. Расчеты показали наличие четко выраженного оптимума по углу между спаренными лопастями. Выполненное сравнение трехлопастного, шестилопастного одинарного и шестилопастного со сдвоенными лопастями винтокольцевых движителей подтвердило, что последний вариант имеет несколько лучшие характеристики тяги и создает существенно меньший уровень шума на местности. Практическая значимость. Исследованные характеристики винтокольцевого движителя продемонстрировали перспективы применения винтов со сдвоенными лопастями в воздушных судах с вертикальным взлетом и посадкой. Отработанная численная методика может быть непосредственно использована для промышленных расчетов винтов и вентиляторов.

1. Chovancová A., Fico T., Chovanec L., Hubinský P. Mathematical modelling and parameter identification of quadrotor (a survey) // Procedia Engineering. 2014. V. 96. P. 172–181. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.12.139

2. Остроухов С.П. Аэродинамика воздушных винтов и винтокольцевых движителей. М.: Физматлит, 2014.328с.

3. Бузыкин О.Г., Казаков А.В., Шустов А.В. Численное моделирование аэродинамических характеристик малоразмерного летательного аппарата // Ученые записки ЦАГИ. 2010. Т. 41. № 5. С. 21–31.

4. Назаров Д.В., Кондрякова А.В. Исследование обтекания винта с применением численных и экспериментальных методов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2018. Т. 20. № 4-1. С. 70–75.

5. Rumsey C.L., Biedron R., Farassat F., Spence P. Ducted-fan engine acoustic predictions using a Navier-Stokes code // Journal of Sound and Vibration. 1998. V. 213. N 4. P. 643–664. https://doi.org/10.1006/jsvi.1998.1519

6. Reboul G., Polacsek C., Lewy S., Heib S. Aeroacoustic computation of ducted-fan broadband noise using LES data // Journal of the Acoustical Society of America. 2008. V. 123. N 5. P. 3539. https://doi.org/10.1121/1.2934519

7. Myers L., Rhee W., Mclaughlin D. Aeroacoustics of vertical lift ducted rotors // Proc. of the 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (30th AIAA Aeroacoustics Conference). 2009. P. 2009-3333. https://doi.org/10.2514/6.2009-3333

8. Astley R., Sugimoto R., Achunche I., Kewin M., Mustafi P., Deane E. A review of CAA for fan duct propagation and radiation, with application to liner optimisation // Procedia Engineering. 2010. V. 6. P. 143–152. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.09.016

9. Malgoezar A.M., Vieira A., Snellen M., Simons D.G., Veldhuis L.L. Experimental characterization of noise radiation from a ducted propeller of an unmanned aerial vehicle // International Journal of Aeroacoustics. 2019. V. 18. N 4-5. P. 372–391 https://doi.org/10.1177/1475472X19852952

10. Zhang T., Barakos G.N. Review on ducted fans for compound rotorcraft // The Aeronautical Journal. 2020. V. 124. N 1277. P. 941–974. https://doi.org/10.1017/aer.2019.164

11. Akturk A., Shavalikul A., Camci C. PIV measurements and computational study of a 5-inch ducted fan for V/STOL UAV applications // Proc. of the 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2009. P. 2009-332. https://doi.org/10.2514/6.2009-332

12. Akturk A., Camci C. Experimental and computational assessment of a ducted-fan rotor flow model // Journal of Aircraft. 2012. V. 49. N 3. P. 885–897. https://doi.org/10.2514/1.C031562

13. Yilmaz S., Erdem D., Kavsaoǧlu M. Effects of duct shape on a ducted propeller performance // Proc. of the 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 2013. P. 2013–0803. https://doi.org/10.2514/6.2013-803

14. Akturk A., Camci C. Tip clearance investigation of a ducted fan used in VTOL unmanned aerial vehicles. Part I: Baseline experiments and computational validation // Journal of Turbomachinery. 2014. V. 136. N 2. P. 021004. https://doi.org/10.1115/1.4023468

15. Xu H.-Y., Xing S.-L., Ye Z.-Y. Numerical study of ducted-fan lip stall suppression based on inflatable leading lip cell // Procedia Engineering. 2015. V. 126. P. 158–162. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.11.202

16. Biava M., Barakos G.N. Optimisation of ducted propellers for hybrid air vehicles using high-fidelity CFD // The Aeronautical Journal. 2016. V. 120. N 1232. P. 1632–1657. https://doi.org/10.1017/aer.2016.78

17. Chen J., Li L., Huang G., Xiang X. Numerical investigations of ducted fan aerodynamic performance with tip-jet // Aerospace Science and Technology. 2018. V. 78. P. 510–521. https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.05.016

18. Ohanian O.J., Karni E.D., Londenberg W.K., Gelhausen P.A., Inman D.J. Ducted-fan force and moment control via steady and synthetic jets // Journal of Aircraft. 2011. V. 48. N 2. P. 514–526. https://doi.org/10.2514/1.C031110

19. Мойзых Е.И., Завалов О.А., Кузнецов А.В. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик дистанционно-пилотируемого летательного аппарата с несущей системой «винт в кольце» // Труды МАИ. 2012. № 50. С. 11.

20. Dehaeze F., Barakos G.N. Hovering rotor computations using an aeroelastic blade model // The Aeronautical Journal. 2012. V. 116. N 1180. P. 621–649. https://doi.org/10.1017/S0001924000007107

21. Абалакин И.В., Бахвалов П.А., Бобков В.Г., Козубская Т.К., Аникин В.А. Численное моделирование аэродинамических и акустических характеристик винта в кольце // Математическое моделирование. 2015. Т. 27. № 10. С. 125–144.

22. Абалакин И.В., Аникин В.А., Бахвалов П.А., Бобков В.Г., Козубская Т.К., Численное исследование аэродинамических и акустических свойств винта в кольце // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2016. № 3. С. 130–145. https://doi.org/10.7868/S0568528116030026

23. Диизи Ф., Баракос Дж., Кусюмов А.Н., Кусюмов С.А., Михайлов С.А. DES-моделирование обтекания несущего винта вертолета // Известия вузов. Авиационная техника. 2018. № 1. С. 40–46.

24. Головкин М.А., Кочиш С.И., Крицкий Б.С. Методика расчета аэродинамических характеристик комбинированной несущей системы летательного аппарата // Труды МАИ. 2012. № 55. С. 5.

25. Копьев В.Ф., Титарев В.А., Беляев И.В. Разработка методологии расчета шума винтов с использованием суперкомпьютеров // Ученые записки ЦАГИ. 2014. Т. 45. № 2. С. 78–106.

26. Costes M., Renaud T., Rodriguez B. Rotorcraft simulations: a challenge for CFD // International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2012. V. 26. N 6-8. P. 383–405. https://doi.org/10.1080/10618562.2012.726710

27. Costes M., Renaud T., Rodriguez B., Reboul G. Application of vorticity confinement to rotor wake simulations // International Journal of Engineering Systems, Modelling and Simulation. 2012. V. 4. N 1-2. P. 102–112. https://doi.org/10.1504/ijesms.2012.044848

28. Попов Н.И., Емельянова О.В., Яцун С.Ф. Моделирование динамики полета квадрокоптера // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2014. № 4(13). С. 69–75.

29. Канатников А.Н., Акопян К.Р. Управление плоским движением квадрокоптера // Математика и математическое моделирование. 2015. № 2. С. 23–36. https://doi.org/10.7463/mathm.0215.0789477

30. Шайдаков В.И. Влияние близости земли на аэродинамические характеристики летательного аппарата с несущей системой «винт в кольце» // Труды МАИ. 2011. №. 49. С. 24.

31. Volkov K. Numerical analysis of Navier-Stokes equations on unstructured meshes // Handbook on Navier-Stokes Equations: Theory and Analysis. Nova Science, 2016. P. 365–442.

32. Volkov K. Multigrid and preconditioning techniques in CFD applications // CFD Techniques and Thermo-Mechanics Applications. Springer International Publishing, 2018. P. 83–149. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70945-1_6

33. Суворов А.С., Коротин П.И., Соков Е.М. Метод конечно-элементного моделирования шумоизлучения, генерируемого неоднородностями тел, движущихся в турбулентном потоке жидкости // Акустический журнал. 2018. Т. 64. № 6. С. 756–767. https://doi.org/10.1134/S0320791918060114

34. Spalart P.R., Allmaras S.R. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows // Proc. of the 30th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 1992. P. 1992-0439. https://doi.org/10.2514/6.1992-439

35. Menter F.R. Zonal two-equation k-ω turbulence models for aerodynamic flows // Proc. of the 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics, and Lasers Conference. 1993. P. 1993-2906. https://doi.org/10.2514/6.1993-2906

36. Menter F.R., Langtry R., Volker S. Transition modelling for general purpose CFD codes // Flow, Turbulence and Combustion. 2006. V. 77. N 1-4. P. 277–303. https://doi.org/10.1007/s10494-006-9047-1