航空发动机桨发匹配试验仿真技术概述

导读：一款成熟的活塞式航空发动机，如果要在飞行包线内发挥最优的动力输出性能，还需要匹配的螺旋桨。除了发动机的功率输出特性，还需要了解螺旋桨的功率吸收特性，并以发动机的外特性曲线和螺旋桨的推进特性曲线为基础，得出该活塞发动机匹配螺旋桨的最佳方法。了解桨发匹配相关的试验与仿真技术，有助于桨发匹配的研究与推进。

航空螺旋桨匹配试验技术

螺旋桨在设计完成后，需要进行螺旋桨的性能试验及桨发匹配试验。通过螺旋桨性能试验，可以得到螺旋桨在不同转速下的拉力、扭矩及功率等数据，初步了解螺旋桨的特性。通过桨发匹配试验可以评估螺旋桨与发动机整体的性能，实现动力的最优匹配。

螺旋桨性能试验的动力驱动装置可以是发动机，也可以是电机，控制螺旋桨的转速，通过拉压传感器和扭矩传感器测出每个转速下螺旋桨的拉力和扭矩。

螺旋桨与发动机动力匹配试验，是将螺旋桨安装在所要匹配的发动机上，在地面静态、高空台或者风洞中来测得螺旋桨的性能数据。桨发匹配的目标是使螺旋桨在飞机常用工况下发挥最大桨效，巡航时需考虑低油耗性。如定距桨的匹配，需考虑桨的工作环境是高空还是低空，主要用于起飞爬升状态还是巡航状态，以避免螺旋桨在常用工况下过重或过轻。用于高空作业的螺旋桨，在没有高空台及风洞试验条件下，需要根据螺旋桨功率系数、推力系数、进距比、效率等气动特性数据来进行相应的高度和速度下的匹配计算。

    

航空螺旋桨仿真技术

航空螺旋桨的三维仿真技术主要有气动流体仿真（CFD）、结构仿真（CAE）、流固耦合仿真。CFD可以模拟复杂的非线性流动，全面考虑影响螺旋桨效率的各种因素，通过对螺旋桨周围的流场进行分析计算，得到螺旋桨的气动特性数据。

螺旋桨桨叶在气动力及离心力的作用下会发生变形，另外空气的压力脉动及发动机输出轴会造成螺旋桨振动。螺旋桨设计中不仅要分析其强度，还需要了解其动力特性，尤其是桨叶-桨毂-桨轴耦合动力特性。CAE可以求解其模态，并对其在相同激励工况下的振动频率响应进行分析。复合材料在桨叶上的应用，使得桨叶的比强度和比刚度大大提高，但复合材料的各向异性，使其力学性能的研究比金属桨叶复杂的多，需使用CAE来研究桨叶纤维铺层与强度的关系及复材的失效过程。

螺旋桨桨叶的仿真，还需要考虑流固耦合，螺旋桨流场的气动力影响桨叶结构的变形，而桨叶的变形又会引气流场的变化，反复作用，形成两个不同物理场之间的耦合作用。建立 CFD/CSD 耦合方法，成为螺旋桨数值模拟研究的重点。

总结

活塞式发动机的非航空领域的试验仿真技术已经非常完善，只需结合已有的成熟技术与航空发动机的应用特点，进行适当的侧重与优化。螺旋桨的零部件组成相对活塞发动机更趋简单，但其材料的复合性、运动特性的多变性使得仿真分析难度更高。利用先进的仿真模拟技术，开展高效的桨发匹配分析将是我们今后重点研究的工作。