螺旋槳滑流

飛機位於螺旋槳之後並處於滑流之中的部件受滑流的影響表現為來流發生改變。此時來流不再是流線平行的均勻流，壓強分佈(以及隨之升力、阻力和俯仰力矩)可能與這些部件處於滑流之外時有很大的不同。

根據動量理論，可以建立用一個加載盤代表螺旋槳的螺旋槳滑流簡化模型。該模型不計滑流的旋轉，假定軸向速度沿滑流剖面均布，考慮了滑流收縮。如圖1所示

機翼被滑流覆蓋的部分比機翼上鄰近的部分承受更高的動壓，產生更大的升力。

在實際流動中，機翼升力不僅受滑流中動壓升高的影響，也受滑流旋轉的影響。後者使機翼被滑流覆蓋部分的當地迎角發生變化。在螺旋槳軸線的一側氣流向下運動，當地迎角減小。這就抵消了動壓升高對這部分機翼升力的作用。在螺旋槳軸線的另一側，滑流旋轉使當地迎角增大，與增大的動壓共同產生展向壓強分佈中的峯值。 ^[3] 

螺旋槳飛機動力模擬試驗就是研究螺旋槳滑流對飛行器空氣動力特性影響的試驗。螺旋槳對飛機穩定性和操縱性的影響可以分為直接影響和間接影響。直接影響主要指螺旋槳的拉力和扭矩等所產生的影響，這部分影響通常可以用分析計算的方法得到。間接影響是指滑流影響，是螺旋槳滑流與飛機各部件的相互作用引起的，它使飛機升力增大、下洗變化、舵面效率改變、操縱性和穩定性都受到影響。由於螺旋槳與飛機其他部件的流動干擾複雜，要給出滑流對飛機氣動特性影響的可靠數據，必須進行螺旋槳飛機的模型帶動力的風洞試驗。

螺旋槳飛機動力模擬試驗在有些風洞已採用多天平測量技術，即在模型機身內安裝六分量天平測量帶動力的全機氣動特性的同時，還在模型發動機短艙內安裝天平測量各個螺旋槳隨不同飛行狀態的氣動特性變化。 ^[4] 

螺旋槳後拖出的高速螺旋狀滑流改變了機翼的原有流態:由於螺旋槳給氣流注入了能量,滑流區域機翼上的動壓和靜壓都增加了;由於氣流的旋轉,機翼上的局部迎角發生了改變。機翼在滑流區的動壓增加,導致機翼局部環量的增加,從而產生升力增量和誘導阻力增量。高速滑流還可以延遲邊界層的分離,提高襟翼的效率。

滑流對機翼的影響範圍有諸多影響因素,如滑流流管的收縮,空氣粘性使滑流範圍擴大,滑流經過機翼時的側洗等等。螺旋槳滑流在機翼上產生的間歇性湍流與通常所認識的湍流不同,它對機翼特性(尤其是阻力特性)的影響有待進一步研究。 ^[2] 

自19世紀以來,人們就不斷嘗試着用各種理論和方法來探索螺旋槳滑流的機理,其中包括動量理論、葉素理論、渦流理論以及各種CFD方法。下面簡單介紹一下各種理論和方法的原理、特點及其適用範圍。

動量理論最早起源於19世紀的船用螺旋槳研究。20世紀初,Betz將動量理論應用於飛機螺旋槳。動量理論採用均勻滑流的假設,把螺旋槳看成一個無限薄的槳盤,應用流體力學的基本定律來研究槳盤對氣流的作用。動量理論是一種宏觀上的分析,它的特點是計算模型簡單,只適用於螺旋槳性能的初步估算,無法涉及槳葉的幾何特性。 ^[2] 

葉素理論最早由Drzewiwcki在19世紀末提出。葉素理論是機翼升力線理論在螺旋槳槳葉中的應用。它把槳葉看成由無限多的槳葉微段(葉素)構成。假設每個槳葉剖面作為一個二維翼型來產生氣動作用,可應用二維翼型特性確定槳葉剖面的氣動力和力矩,再沿槳葉徑向積分可得一片槳葉進而整個螺旋槳的氣動力和力矩。對於葉素理論,葉片當地速度的計算是一個關鍵,可採用動量理論或渦流理論計算當地速度,其中渦流理論能給出較準確的誘導速度分佈。葉素理論涉及槳葉的細節流動和載荷,使它可以直接應用於螺旋槳槳葉的設計中。但由於升力線理論是建立在機翼或槳葉高展弦比的假設之上,在槳葉載荷和誘導速度梯度過大的區域,例如槳尖附近和渦-槳干擾的附近,升力線假設並不滿足,因而葉素理論在這些區域並不適用。 ^[2] 

渦流理論是把機翼的升力由環繞機翼的環量產生的理論應用到螺旋槳上,即假定有一附着渦系貫穿於槳葉,一組尾渦系由葉尖、葉根和槳葉後緣向下遊無限延伸。尾渦系的形狀近似於螺旋形。螺旋槳的滑流就是受這組渦系影響的流動。渦流理論的難點是對滑流尾跡的分析,其關鍵在於尾渦系模型的選取。尾渦系模型主要可歸納為固定尾跡、預定尾跡和自由尾跡三類。 ^[2] 

從20世紀80年代開始,CFD方法被應用於螺旋槳流場的計算。根據不同程度的簡化,求解流場的控制方程可分為跨音速小擾動速勢方程、全速勢方程、歐拉方程和Navier-Stokes(N-S)方程。從速勢方程到N-S方程,它們對真實流動的理論描述越來越精確,但是求解的難度也越來越大。跨音速小擾動方程使用了小擾動的假設,因此只有對於薄翼等擾動不太強的跨音速流動才能給出較好的結果。全速勢方程在激波不太強的情況下,具有較好的模擬旋翼流場中出現的激波和旋渦流動。對於一些非常複雜的現象,比如槳尖附近出現的激波/附面層干擾產生的流動分離,只有考慮了流體粘性的N-S方程才能較為準確地描述。按螺旋槳尾跡的不同處理,螺旋槳流場的求解方法可分為兩類,一是求解時將流場控制方程與螺旋槳尾跡模型耦合,這種方法稱為Euler/Lagrange方法,二是直接求解流場的歐拉方程和N-S方程,不附加尾跡模型,尾跡作為解的一部分而存在,這種方法被稱為Euler方法(注意區別於Euler方程)。前者計算結果與尾跡準確度有很大關係,而後者的難點在於網格的生成難度和計算的複雜性。 ^[2] 

螺旋槳滑流現象非常複雜,需要從多個角度去認識這一現象。對於單獨螺旋槳產生的滑流流場,需要考慮流場的加速效應、旋轉效應、粘性效應、湍流效應,槳盤傾斜的影響以及軸轂的影響;當機翼安裝在螺旋槳後方時,滑流流場會受到機翼的影響而發生變化,這時會產生側洗現象、阻塞現象,並且同時會使流場不均勻。

螺旋槳通過旋轉把空氣往後推而得到空氣的反作用力,即螺旋槳拉力。在這個過程中,螺旋槳通過做功提高槳後空氣的總壓,並使氣流向後加速流動。根據質量守恆定律,氣流的加速會導致流管的截面積收縮。,在沒有來流或來流速度較低的情況下,槳盤後滑流的直徑收縮為0.816倍至0.92倍螺旋槳直徑,在來流速度較高時,滑流直徑近似等於螺旋槳直徑,特別是在垂直於來流的方向。

槳後氣流總壓的增大推遲了機翼上分離現象的發生。相對於無滑流情況下有分離的襟翼,滑流會在一定程度上減弱甚至消除分離,其作用體現為一種噴氣效應。 ^[2] 

螺旋槳的旋轉不僅引起軸向速度增加,還會激起周向速度,使得滑流發生強烈的旋轉。旋轉氣流施加給槳葉的反作用力使螺旋槳的軸產生扭矩,因此根據動量矩定理,可以近似得到滑流周向速度分佈。滑流的旋轉效應不僅會影響機翼,即使在平尾處,這種旋轉流場仍然存在。測量截面越靠近槳葉附近,氣流被加速越強烈,橫流速度越大。在機翼附近,旋轉流場的範圍即螺旋槳滑流影響區域大小與螺旋槳的槳盤面積大致相同。在平尾前緣處,螺旋槳滑流流過機翼後被分成上、下兩部分,下部分兩台螺旋槳旋轉形成的渦仍清晰可見,只是渦心向下移動,並向機身方向靠攏。上部分氣流在平尾前緣處形成了一個與螺旋槳轉動方向相反的弱渦。 ^[2] 

實際流體中的粘性會降低滑流速度與滑流區域中渦的強度,並擴大滑流區域。滑流區域內的軸向速度大於滑流區域外的軸向速度,這種速度差會在流邊界上產生剪切邊界層。滑流區域內有周向旋轉氣流,而滑流區域外沒有,所以在滑流邊界上還會產生許多與螺旋槳旋向相反的小渦。滑流和射流相似,由於不斷的與周圍空氣相混合,並受到粘性耗散使得滑流在離開槳平面不久。 ^[2] 

螺旋槳週期性的非定常旋轉氣流打到機翼的表面,與原來機翼上的邊界層相互作用,在機翼上產生一種間歇性的湍流邊界層。邊界層的間歇性是由旋轉氣流引起;如圖2是自由流中某空間點的速度值隨時間的脈動,這説明機翼上的湍流邊界層的分佈在時間上和空間上都是週期性的;圖2表明機翼上湍流邊界層的週期與旋轉氣流的週期有密切的關係。

機翼上的這種間歇性的湍流邊界層會影響對機翼阻力的預測。還沒有一種合適的湍流模型可以模擬這種湍流現象。 ^[2] 

當螺旋槳槳軸與來流速度有一個夾角A時(飛機迎角發生變化時會出現這一情況),槳盤平面左右兩區域內槳葉的當地迎角發生變化,若左方增加,則右方減小。這個情況將導致槳葉在不同的相位受到的不同的合力,進而導致槳軸受到升力方向的力和彎矩。 ^[2] 

螺旋槳滑流理論分析中的模型都是沒有軸轂的螺旋槳模型,而實際的螺旋槳是有軸轂的,且其尺寸不可忽略。軸轂前方有整流罩,後方有發動機及其整流裝置,其對滑流流場的影響不可忽視,特別是滑流在軸線附近區域的流動與理論分析的結果有很大不同。對於運七飛機,其發動機的整流裝置延伸到機翼的後方,因此,在考慮滑流對平尾的作用時,就必須先考慮清楚軸轂對滑流流場有什麼樣的影響。 ^[2] 

螺旋槳產生的旋轉氣流在經過機翼時,機翼表面不可穿透的性質改變了氣流的旋轉流態,使氣流產生了側向的流動。流過機翼上下表面的滑流的側洗方向正好相反。螺旋槳產生的渦管也被機翼分割成上下兩個小渦管,並且隨着側洗流向不同的方向發生偏轉。側洗的方向由螺旋槳的旋轉方向決定,螺旋槳的旋轉方向為逆時針(從下方向上方看去),則流過機翼上表面的滑流向左側洗(實線所示),流過機翼下表面的滑流向右側洗(虛線所示)。側洗的速度與旋轉氣流的強度以及螺旋槳的安裝位置有關。另外,發生側洗的渦管的偏斜程度也可能會受到翼尖渦的影響。

由於未來的預警機的邊立尾位於螺旋槳的正後方,因此滑流的側洗現象必定給立尾帶來很大的影響。 ^[2]