低空新能源航空器螺旋桨桨叶CFD气动设计可行性分析应用

导读：大家好，我是杨仿君，一位不断学习和分享的流体工程师。2023年9月，我曾在仿真秀直播间分享过飞行器气动与隐身多学科优化设计应用线上讲座。时隔2年，7月10日20时，我再次受邀在仿真秀做线上讲座《航空器螺旋桨桨叶CFD气动设计应用》，欢迎读者报名和分享，支持反复观看，详情见后文。

一、旋桨设计优化的研究意义

螺旋桨作为通用航空、无人机、城市空运（eVTOL）及部分支线客机的核心推进部件，其性能直接影响飞行器的经济性、环保性与竞争力。螺旋桨桨叶气动设计包括翼型选择、弦长分布、扭转角分布、后掠角等，其贯穿于航空航天推进、船舶推进、无人机、通用航空等多个领域,深入研究的意义主要体现在以下几个方面：  

1、直接决定效率：螺旋桨是将发动机功率转化为推力的装置,桨叶的气动设计直接决定了能量转换的效率（推进效率），优秀的设计能最大化地将旋转机械能转化为有用的推力，减少能量损失（如诱导阻力、型阻、激波损失等）；  

2、影响飞行器性能：推力大小、效率高低直接决定了飞行器的航程、航速、爬升率、载重能力，优化气动设计是提升这些关键性能指标最根本的途径之一；  

3、源头降噪：螺旋桨是飞行器的主要噪声源之一，桨叶的气动设计对噪声产生机理（如叶尖涡、桨-涡干扰、载荷噪声、厚度噪声）有决定性影响。

本文主要介绍如何从设计需求出发，给定推力和使用需求，如何设计桨叶，并进行性能分析。

二、螺旋桨气动设计三大理论基石  

1、动量理论（宏观能量分析）  

原理：该理论将螺旋桨视为一个无限薄、无阻力、均匀加载的“作用盘” ，当这个盘在空气中旋转时，它会对流体做功，使流体加速向后运动。根据牛顿第三定律（作用力与反作用力），流体对盘施加一个向前的反作用力，这就是推力。  

结果：整个分析基于质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律，最后得到推力和扭矩表达式如下，其中a为轴向诱导因子，b为切向诱导因子，为未知量。  

2、叶素理论（BEMT：微观翼型解析）  

原理：该理论是将桨叶沿展向（径向）分割为若干微段（叶素），每个微段视为一个二维翼型，独立计算其气动力，再积分得到整体性能。  

结果：基于叶素理论，得到叶素的拉力和扭矩如下式，未知量为轴向诱导因子、周向诱导因子和 弦长。  

3、涡流理论（高精度旋涡建模）  

原理：基于流体力学中的涡动力学，将螺旋桨视为一个复杂的涡系（由附着涡、尾随涡和桨毂涡构成），通过求解涡系诱导的速度场来计算桨叶载荷和整体性能。  

三、最小能量损失设计法与螺旋桨气动设计流程  

最小能量损失原理为螺旋桨设计最为普遍使用的方法，他的结论为：诱导螺距V‘沿桨叶分布为定值时，能量损失最小，推进效率最高，由此可以推出以下表达式，只有V’一个未知量。 

基于上述方法，可得到螺旋桨设计流程如下。  

输入条件：飞行表速V0、飞行高度h、设计拉力T；  

设计流程：  

①主要初始参数设计：翼型选择、直径和转速、桨叶数量、轮毂直径；  

②根据最小能量损失条件，确定满足设计条件的诱导螺距V‘和最优环量；  

③根据叶素理论和涡流理论，计算叶片安装角和扭转角；  

④螺旋桨三维建模，并修正翼根和翼尖；  

⑤三维CFD计算和优化迭代。  

四、设计实例——某无人机螺旋桨设计优化全记录

输入条件：飞行速度110lm/h、飞行高度2500m、设计拉力3500N。  

计算流程：  

1、主要初始参数设计（依赖工程人员经验）  

① 翼型选择  

常用的螺旋桨翼型有RAF-6翼型、Clack-Y翼型，NACA16翼型，ARA-D翼型等，翼型设计要保证其具有升租比大、设计状态升力系数大、失速较为缓和的特点，本次综合选择为NACA2415翼型。  

应用XFlr5软件，输入雷诺数和马赫数，计算翼型的升阻力特性，最大升阻比迎角为5°、升力系数为0.7，阻力系数为0.008. 

② 直径和转速  

为放置螺旋桨桨尖产生激波损失，一般控制桨尖马赫数在0.6左右，直径和转速满足以下关系式，基于下式选取螺旋桨直径为2.75m，转速为1400rpm。  

③桨叶数量  

根据经验，选取桨叶叶片数量为3。  

2、根据最小能量损失条件，确定满足设计条件的诱导螺距V‘和最优环量（郭佳豪《一种耦合ＣＦＤ修正的螺旋桨快速设计方法》） 

3、根据叶素理论和涡流理论，计算叶片安装角和扭转角；  

4、螺旋桨三维建模，并修正翼根和翼尖；  

主要包括利用excel中的宏命令导入翼型、翼型缩放参考点、安装角旋转点为25%弦长 

5、三维CFD计算和优化迭代  

（1）首次计算拉力为3176N，小于设计拉力值3500N；分析原因为叶素-涡流理论过于理想化，用于初步设计，不能充分模拟真实流动，需要修正；  

（2）改变修正系数，放大了弦长，重新建模计算，拉力值变为3434N，满足设计要求。  

五、结论  

本文根据叶素-涡流理论，基于最小能量损失原则，初步设计了螺旋桨；基于CFD，对设计的螺旋桨进行了流场分析，修正了叶素-涡流理论，放大了弦长，直至满足设计要求。为了帮助工程师更好理解和掌握航空器螺旋桨桨叶CFD气动设计，欢迎报名参加7月10日20时，仿真秀主办的低空经济设计仿真线上讲座《航空器螺旋桨桨叶CFD气动设计应用》，以下是具体安排：

1、主讲嘉宾

杨仿君，仿真秀优秀讲师，7年流体从业经验，硕士学历，仿真秀科普作者，擅长流体基础流动、换热、旋转机械、多相流、组分输运、动网格和UDF等方向。做过的CFD或流固耦合案例：

• 飞翼布局飞机isight气动优化；

• 轿车阻力仿真；

• 双层住宅自然通风仿真、

• 离心泵空化和冲蚀分析

• 风扇（螺旋桨）气动噪声仿真

• 风力发电机功率仿真

• 旋转机械多域网格划分方法

• 小船阻力仿真

• 城市污染物扩散

• 扑翼机仿真分析等

2、报告主要内容

（1）螺旋桨桨叶气动设计核心价值

（2）螺旋桨气动设计基础理论

• 空气动力学核心原理

• 翼型与螺旋桨工作机制

（3）基于动量 - 叶素理论的叶片设计流程

（4）案例演示-螺旋桨的 CFD 气动特性评估

（5）技术交流和答疑

3、如何报名和回放

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低空经济设计仿真（三）航空器螺旋桨桨叶CFD气动设计应用-仿真秀直播

来源：仿真秀App