【技术应用】Joby Aviation借助STAR-CCM+推出创新的电动推进概念

 

 

01介绍

 

凭借其在电机设计和制造、高保真空气动力学分析以及复合材料机身设计和制造方面的专业知识，Joby Aviation(成立于2009年，总部位于加州圣克鲁斯) 正在利用这些新技术开发一系列具有创新性的飞机。然而，由于多项因素相互影响的复杂性以及缺乏参考，在设计过程中必须进行大量的高精度气动分析。因此，Joby Aviation非常依赖计算流体动力学(CFD)分析，他们使用Simcenter STAR-CCM+™软件来开发非常规的创新设计。

 

 

 

02Joby S2案例

 

S2机型是Joby Aviation研发的垂直起降(VTOL)飞机之一，如图1所示。Joby S2 采用了分布式电力推进系统创新设计，解决了传统直升机的噪音大、运营成本高、飞行速度低和相对较低的安全性能。Joby S2 在垂直起降时采用了多螺旋桨构型，这种冗余设计提高了飞行安全性。

 

 

 

图1   Joby S2构型

 

在巡航中，这些螺旋桨中的大多数都折叠平放在吊舱上以减少阻力。这对螺旋桨叶片设计提出更高要求，需要高阶的 CFD 计算工具来权衡螺旋桨升力性能以及折叠叶片产生的机舱阻力。Joby Aviation工程师使用Simcenter STARCCM+ 评估了各种运行条件下的各种螺旋桨设计，并使用 γ-Reθ 转捩模型分析了在巡航过程中机舱的阻力特性。图2所示为某型吊舱设计的表面摩擦系数，左图为螺旋桨未折叠的吊舱表面，右图为螺旋桨折叠后的吊舱表面。仿真结果表明，优化后的螺旋桨叶片设计增加了层流并减少了巡航阻力。

 

 

 

图2

 S2短舱CFD阻力分析

 

 

03Joby Lotus 案例

 

Joby Aviation 的另一个项目是 Lotus 飞机，该公司正在使用它来探索 55 磅无人机（UAV）规模的新型 VTOL 构型。在这架飞机中，每个翼尖上的两叶螺旋桨为垂直起飞提供推力。在飞机获得足够的前进速度以获得足够的机翼升力后，每组两个叶片合在一起，叶片成为翼尖延伸，形成一个分裂的翼尖。倾斜尾桨在起降期间提供俯仰控制，并推动飞机向前飞行。Lotus的起飞和巡航布局如图3所示。

 

 

图3  起飞(上)和巡航布局(下)示意

 

正如所预料的那样，这些翼尖螺旋桨叶片的设计——翼展、翼型选择、扭转和弦分布、桨距等——是螺旋桨和翼尖性能之间的权衡分析。Joby Aviation设计师在巡航状态下对这些设计变量的组合运行了数十个 CFD 仿真，以在构型约束范围内最大限度地提高性能。同时，还利用 CFD 分析了这些叶片在螺旋桨状态下的性能，以验证低阶设计方法。

 

 

 

图4   巡航状态下CFD分析

 

 

图5  螺旋桨起飞时的CFD分析

 

 

04LEAPTech案例

 

Joby Aviation参与的第三个项目是与美国国家航空航天局(NASA)合作的前缘异步螺旋桨技术(LEAPTech)。项目的目标是研究通过电力推进对传统固定翼飞机进行改进。一排小螺旋桨安装于机翼的前缘，在起飞和降落过程中，这些螺旋桨增加机翼上的速度。该设计增加了机翼产生的升力，并允许较小的机翼用于相同的失速限制。许多小型飞机通过增大机翼尺寸来满足失速速度限制，但对于最佳巡航性能来说机翼太大了，这种较小的机翼提供了更高效的巡航。

 

然而，这种吹气机翼的性能很难用低阶工具进行分析，特别是因为大部分所需的分析都发生在失速条件下。因此，在设计过程中进行了大量的CFD模拟，研究了螺旋桨尺寸和功率、机翼展弦比和尺寸、攻角等各种组合。为了减少计算成本，在Simcenter STAR-CCM+中采用BEM（Blade Element Method）方法将螺旋桨建模为作动盘，从而消除了求解叶片几何形状的需要，大大降低了模型所需的网格数量。

 

 

 

测试这种构型的第一阶段是建造全尺寸的机翼、螺旋桨和发动机，并将它们安装在一辆改装过的半挂卡车上，卡车在加利福尼亚州爱德华兹市的美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心的跑道上以起飞速度行驶。图6显示了该构型的CFD解决方案示例，图7显示了实验测试设备。

 

 

图6   LEAPTech机翼CFD分析

 

   

 

 

图7 LEAPTech试验测试

 

在起飞和降落之外，这些前缘螺旋桨将折叠在它们的短舱上——类似于S2螺旋桨——而翼尖螺旋桨，如上所述，将提供推进力。虽然低阶分析方法被用于评估这些螺旋桨与翼尖涡旋同心运行时的阻力和效率影响，但非定常CFD被证明是最可靠的分析方法。

 

 

图8 翼尖螺旋桨CFD分析

 

 

 

 

05小结

 

Joby Aviation正以其革命性的电力推进概念迅速推进通用航空飞机的发展，而Simcenter STAR-CCM+模拟在帮助他们理解其最先进理念的复杂性以及设计和开发非常规系统方面发挥着重要作用。