一种基于IGP翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法

本发明属于飞行器，具体是一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法。

背景技术：

1、螺旋桨作为飞行器产生气动力的重要部件，其效率的高低，很大程度上决定了整个飞行器的效率。螺旋桨的气动特性主要由几何形状、翼型以及扭转角决定，翼型的性能决定着螺旋桨的整体性能。对于螺旋桨来说，翼型决定着螺旋桨能否高效地产生推力，直接影响着螺旋桨的气动性能以及推进效率，因此翼型的设计是螺旋桨设计中最重要的环节之一。

2、现阶段，螺旋桨的气动效率一直是螺旋桨设计中的一个重要问题。传统的螺旋桨优化设计方法，要么是费时费力，极度依赖于设计者的直觉和经验，局限性大，要么会因为螺旋桨翼型参数多且不易控制，导致计算量大、设计复杂性高，进行试验的话，则需要加工多套螺旋桨，成本高且周期长。

3、为此，本发明提出一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法。

技术实现思路

1、为克服现有技术存在的缺点，本发明提出一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法。使用igp翼型参数化方法对原始翼型进行描述，通过isight平台联合matlab和xfoil对特定位置翼型进行优化，从而达到对螺旋桨优化的目的。本发明通过igp参数法将特定截面的翼型参数化，在保证精度的同时，减少了所需参数的数量，使得翼型描述更为简洁高效；通过isight平台进行一系列集成化的操作，提高了设计效率、优化质量以及结果的可靠性。

2、具体而言，本发明提供了一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，所述方法包括：

3、步骤1：确定原始螺旋桨的各项参数，包括翼型、扭转角、弦长等。

4、步骤2：确定螺旋桨的工况，通过fluent进行气动分析，得到原始螺旋桨的气动性能。

5、步骤3：选取靠近桨尖处若干截面的翼型。

6、步骤4：对选取出来的各个截面的翼型进行分析计算，得出给定条件下，翼型所受的来流迎角、马赫数以及雷诺数等，并整理保存。

7、步骤5：通过igp参数法对翼型进行参数化。

8、其表达式为：

9、xc＝3c1k(1-k)2+3c2(1-k)k2+k3

10、yc＝3c3k(1-k)2+3c4(1-k)k2

11、上组式中，c1、c2为三次贝塞尔曲线两个控制点的横坐标，c3、c4为三次贝塞尔曲线两个控制点的纵坐标。k是一个独立的参数，取值范围从0到1，有助于生成曲线。

12、步骤6：将模型编写为matlab代码，并代入原始翼型，生成可供xfoil进行气动分析的翼型坐标文件。

13、步骤7：通过isight平台调用xfoil软件对翼型进行光滑工况下的气动性能分析。

14、步骤8：调用计算器模块，根据导出的收敛后的升力系数、阻力系数计算升阻比。

15、步骤9：通过isight平台，将matlab、xfoil以及计算器模块进行集成，使用isight平台自带的优化算法，将优化目标设定为阻力系数最小，升阻比最大，对翼型进行优化。

16、步骤10：通过isight平台的优化模块在限定范围内生成新的igp参数，代入翼型参数化程序得到优化后的翼型。

17、步骤11：将优化后的各个翼型代入相应截面，得到优化后的螺旋桨。

18、步骤12：对优化后的螺旋桨进行气动分析，得到相应的气动分析结果并与原始数据进行对比。

19、优选的，所述步骤2中对原始螺旋桨进行气动分析的过程主要包含：网格划分、模型设定、边界条件与初始条件的设定、求解设置、网格无关性验证、求解以及后处理分析。

20、优选的，所述步骤3中，由于桨尖部位对螺旋桨的气动性能的影响更为显著，本方法选取桨叶靠近桨尖中后段部位截面的翼型进行气动优化，一般取60％、70％、80％、90％、100％处。

21、优选的，所述步骤4中，对选取的各个截面的翼型进行分析计算的主要参数包括来流迎角、马赫数、雷诺数等，不同截面翼型的各项参数应分开计算。

22、优选的，所述步骤5中，igp参数法通过8个几何参数对翼型进行描述，如图4所示，分别为：最大弧度(c)、最大弧度弦向位置(xc)、尾缘弧度线与弦向线夹角(αte)、最大弧度位置的弧度线曲率(bxc)、最大厚度(t)、最大厚度弦向位置(xt)、尾缘角(βte)、前缘半径(ρ0)。

23、优选的，所述步骤5中，将贝塞尔曲线作为描述翼型弧线的基本函数，并将naca“四位数”系列的多项式函数用于描述翼型的厚度。

24、优选的，所述步骤5中，厚度表达式为：

25、t＝t1x0.5+t2x+t3x2+t4x3+t5x4

26、优选的，所述步骤5中，所考虑的标准翼型尾缘厚度为0，表达式为：

27、t(1)＝0

28、优选的，所述步骤5中，上表面坐标由(xu,yu)表示；同时，下表面坐标由(xl,yl)表示。

29、xu＝xc

30、

31、xl＝xc

32、

33、优选的，所述步骤7中，根据各个截面翼型情况设置好来流迎角，雷诺数等，随后对各个初始翼型进行气动分析，得到相应的升力系数、阻力系数。

34、优选的，所述步骤7通过xfoil进行气动分析过程时，需进行光滑工况设置以减少计算的复杂性。

35、优选的，所述步骤9中，在循环优化流程中，优化模块提供的设计变量生成新的翼型的dat输出文件作为xfoil气动分析模块新的输入文件。

36、优选的，所述步骤9中，选用的isight优化模块中的优化方法为多岛遗传算法、外点罚函数法、序列二次规划法、粒子群算法任意一种。

37、优选的，所述步骤11中，对螺旋桨重新进行绘制时需要保证扭转角、弦长等条件不变。

38、本发明优势：本发明提供了一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，对螺旋桨特定截面的翼型进行集成优化。通过igp翼型参数法将特定截面的翼型参数化，仅通过8个变量就能实现对翼型的参数化描述，这在很大程度上简化了参数化过程，减少了计算复杂度。与其他参数化方法相比，本方法在保证精度的同时，减少了所需参数的数量，使得翼型描述更为简洁高效。并且，整个优化流程通过isight平台进行，联合matlab和xfoil对翼型进行优化，能够大幅缩短螺旋桨设计流程，减少设计的繁琐程度。

技术特征：

1.一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤2的气动分析的过程主要包含：网格划分、模型设定、边界条件与初始条件的设定、求解设置、网格无关性验证、求解以及后处理分析。

3.根据权利要求1所述的一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中若干截面的翼型是指桨叶靠近桨尖中后段部位的翼型。

4.根据权利要求1所述的一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤5中通过igp参数法对翼型进行参数化的表达式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤7通过xfoil进行气动分析过程时，需进行光滑工况的设置以减少计算的复杂性。

6.根据权利要求1所述的一种基于igp翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，其特征在于，所述步骤9中的isight平台选取的优化方法为多岛遗传算法、外点罚函数法、序列二次规划法、粒子群算法的任意一种。

技术总结本发明提出一种基于IGP翼型参数化的螺旋桨气动优化设计方法，属于飞行器技术领域。本方法首先通过IGP参数法，将原始螺旋桨特定截面的翼型参数化，随后在Isight平台上联合Matlab、Xfoil对翼型进行气动优化，最后将优化后的翼型与原始螺旋桨相应位置上的翼型进行替换，得到优化后的螺旋桨，实现整个优化过程。本发明通过IGP参数法将特定截面的翼型参数化，在保证精度的同时，减少了所需参数的数量，使得翼型描述更为简洁高效；通过Isight平台进行一系列集成化的操作，提高了设计效率、优化质量和结果的可靠性。技术研发人员：郭昌经,徐志玲,姚峻涛受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9