Математическое и компьютерное моделирование однорядных и двухрядных шестилопастных винтокольцевых движителей

Дудников С.Ю., Булат М.П., Вокин Л.О., Кузнецов П.Н., Чернышов П.С. Математическое и компьютерное моделирование однорядных и двухрядных шестилопастных винтокольцевых движителей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 6. С. 1226–1236. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-6-1226-1236

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.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License