3.1　引言

由于螺旋桨的高效率特性，常常用于速度不是很高的飞机上，如直线客机、短程客机、侦察机。20世纪80年代中期，随着计算机运算能力的迅速提高和CFD方法的更新改进，许多研究者开始尝试用Euler方程和N-S方程直接数值模拟螺旋桨与机身的干扰。Daniel J.Strash利用笛卡儿全Euler方程的方法研究了螺旋桨滑流与机体之间的气动干扰特性。Jurg Muller和Marianne Aschwanden对带螺旋桨的军用快速运输飞机（A400M PLA-4）的滑流影响进行了风洞实验，研制出了一种新型的发动机系统，并成功将其应用于此次低速风洞实验中。Fergal J.Boyle应用Euler算法研究了在跨声速和亚声速条件下带六片桨叶螺旋桨的气动特性，并利用基于时间步长的龙格库塔法研究了定常和非定常两种状态下螺旋桨滑流的流场。Brian J.Gamble和Mark F.Reeder分别利用静力分析和风洞实验两种方法，研究了螺旋桨和机翼之间的气动干扰特性。ONERA、Rruno等人为求解飞行前状态多片桨叶的三维非定常流动问题，使用网格变形和重构来模拟各片桨叶的挥舞和变距运动。动态网格的一个优点是可计入桨叶实际的挥舞和变距运动，但其缺点是中间区域网格变形严重时会影响计算结果。Meakin通过求解全Euler方程，计算得到了斜置旋翼飞机的非定常流场和载荷，但计算结果没有进行对比验证。Tung等人首次尝试将不可压层流N-S方程作为主控方程用于求解悬停旋翼涡流场。Srinivasan等人利用N-S方程对单独旋翼的盘旋和前飞流场进行了计算。Ahmad和Duque采用运动嵌套网格方法来数值模拟AH-1G旋翼的前飞流场，但计算的桨叶压力分布与实验值差别很大，桨尖涡在计算过程中的耗散还是很快。Hariharan等通过求解非定常Euler方程、N-S方程计算了简化的旋翼、机身干扰模型的流场，他们选择的动态重叠网格方法相当费时，计算网格比较粗糙，影响了计算结果的精度。

由上面关于螺旋桨的CFD仿真现状可知，计算流体力学对螺旋桨仿真还处在研究阶段，而对螺旋桨设计方法的研究很少有公开的资料，大部分资料是对螺旋桨性能的评估。本章则采用滑移网格的方法对带螺旋桨的弹载无人机进行气动分析。

无人机能够在战术指标给定的情况下进行稳定飞行，必须满足如图3.1所示三个要素，如果有一个要素不能满足，无人机就不能正常飞行。目前市面上还没有飞行速度在25 m/s，半径比15 cm小的大桨距螺旋桨（桨规格为11.8 × 10），无法通过实验验证螺旋桨和发动机的匹配能否克服无人机在25 m/s时的阻力。本课题通过设计螺旋桨进行气动仿真来确定螺旋桨在总体指标下设计的可行性以及对发动机的性能指标要求。

由于对螺旋桨仿真耗费时间长，通过目前市面上电动机能够达到的转速6 000 r·min-1，即628.318 5 rad/s开始进行仿真。来流速度为25 m/s，来流迎角为0°，采用SIMPLER算法进行不可压流场迭代。

由于是对带螺旋桨的全机进行气动模拟，生成的网格数已超过 200 万，普通计算机和单台服务器内存已经无法满足其实验精度和可行性的要求。故此实验是在高性能集群系统使用cluster架构搭建的并行CFD数值计算平台上运行的，该套系统配置了36颗安腾2处理器，计算网络配置24口infiniband交换机（1台），管理网络配备有3 Com 100 M 24口交换机（1台），计算理论峰值达230.4 Glops（Glops为10亿次运算/s）。

图3.1　稳定飞行三要素