跨介质飞行器用螺旋桨在空气与水分离工况下基于单向流固耦合的结构分析与优化

《Fluids》：Structural Analysis and Optimization of a Propeller Under Separate Air and Water Operating Conditions Using One-Way Fluid–Structure Coupling

　　

面向跨介质飞行器的螺旋桨必须在空气与水两种流体中同时具备足够推进性能与结构可靠性，而空气与水的流体性质和载荷水平差异显著。研究人员提出一种工程工作流，将叶片元动量理论（BEMT）、计算流体动力学（CFD）与单向流固耦合相结合，对螺旋桨在空气启动、水中启动和来流水中共三种稳态工况下进行评价。首先采用两阶段BEMT程序筛选候选几何；随后对选定基线构型在三种稳态工况下开展CFD分析；将所得非均匀表面压力与离心载荷传递至有限元模型。结果表明，叶根过渡区在所有工况下均为主导应力集中区域，其中来流进水工况结构响应最危险，最大冯·米塞斯应力为129.8 MPa，最大变形为5.378 mm。经叶根局部优化后，上述数值分别降至87.0 MPa与3.669 mm。该工作流可为分别在空气和水中工作的螺旋桨提供高效的初步结构评估与局部优化途径；瞬态水气界面穿越过程及多相效应不在本研究范围。

研究背景方面，跨介质空—水飞行器因可跨越气液界面并兼具空中与水下系统机动优势而受到关注。已有综述与原型研究在机体构型、过渡策略和执行机构概念上进展迅速，但推进系统在不同介质中的兼容性仍是核心瓶颈。此前混合空—水推进研究多关注效率、过渡性能、构型或控制策略，同一螺旋桨在多介质下的结构响应缺乏系统研究。海洋与复合材料螺旋桨文献表明，流固耦合会显著影响叶根附近变形、应力分布与载荷传递。因此，研究人员有必要建立一种兼顾计算效率与物理可解释性的工程框架，用于跨介质螺旋桨的初步结构安全评估和局部优化。

该研究发表在《Fluids》。研究人员建立的工作流为：先用BEMT做候选几何初筛，再用CFD提取三维非均匀压力场，最后通过单向流固耦合将流体载荷与离心载荷传入有限元模型，识别危险工况、薄弱区域与优化目标。研究意义在于，在不求解完全瞬态双向流固耦合的前提下，仍能高效定位跨介质螺旋桨的关键结构风险，并为工程样机早期设计提供可迁移方法。

主要关键技术方法上，研究人员采用叶片元动量理论（BEMT，将旋转叶片沿展向离散为叶素并与执行盘动量关系耦合的降阶工程方法）完成两阶段候选构型筛选；采用计算流体动力学（CFD）在空气启动、水中启动和来流进水三种工况下求解不可压流动与SST k?ω湍流模型，获得叶片表面非均匀压力；采用单向流固耦合将CFD压力场与对应转速下离心载荷映射到有限元模型；结构材料为6063-T5铝合金，密度2.70×10³ kg/m³、杨氏模量68.9 GPa、泊松比0.33、屈服强度145 MPa；并通过粗—中—细网格独立性验证与y⁺近壁分辨率控制保证载荷映射可靠性。

研究结果部分，3.1 结构响应分析：研究人员将CFD压力场映射到有限元叶片表面，并在毂—轴界面施加固定约束。空气启动工况最大冯·米塞斯应力2.4977 MPa、最大变形0.073 mm；水中启动工况为30.256 MPa、1.133 mm；来流进水工况为129.8 MPa、5.378 mm。所有工况峰值应力均位于叶根过渡区。来流进水虽不一定产生最大全局变形，但产生最强局部压力梯度和应力集中，因此被定为关键载荷工况。该节结论为：结构响应不随转速单调变化，而由流体密度、转速与轴向来流共同控制，叶根过渡区是主载荷传递路径与临界结构位置。

3.2 结构优化与验证：3.2.1 优化策略中，研究人员先在叶根过渡区引入2 mm圆角以改善几何连续性，再比较翼型剖面、桨叶安装角和叶根强化三类变量。NACA0012、NACA2412、NACA0020与?2°、0°、+2°安装角在来流进水工况下比较发现，更厚翼型或更大安装角并不必然降应力，可能因载荷重分布产生新集中区；叶根强化通过锥削弦长（Taper Chord）与弦长缩放（Scale Chord）协调调整直接提升承载截面，其中Taper 0.90/Scale 1.05方案峰值应力最低。3.2.2 最终优化模型中，研究人员保留NACA0012翼型与0°安装角，设置Taper Chord=0.90、Scale Chord=1.05，并加2 mm叶根圆角。空气启动应力由2.4977降至2.450 MPa，降幅1.91%，变形由0.073降至0.069 mm，降幅5.48%；水中启动应力与变形分别降32.68%和78.23%；来流进水应力由129.8降至87.0 MPa，降幅32.97%，变形由5.378降至3.669 mm，降幅31.77%。结论为：局部叶根强化比全局改翼型更高效，优化后静强度裕度明显提高。3.2.3 多工况结果工程含义中，研究人员指出最大冯·米塞斯应力反映局部载荷传递与几何不连续，最大总变形反映整体刚度；跨介质来流会使峰值应力区与最大位移区空间分离，优化应同时考虑应力与变形分布。3.2.4 误差来源与方法适用性中，单向流固耦合忽略变形对流场反馈、压力传递插值与稳态假设会带来不确定性；该方法适合初步设计，样机前还需瞬态载荷、疲劳与制造公差验证。3.2.5 优化策略通用性中，叶根过渡区局部优化直接改善载荷路径与几何不连续，且较少改变水动力特性；BEMT筛选—CFD取载—有限元定位的工作流可迁移至类似跨介质推进系统。

讨论部分总结：研究人员强调跨介质螺旋桨不能把转速作为唯一载荷判据，水和来流会显著改变非均匀压力与叶根集中效应；局部几何修改比全局气动或几何重构更适合工程早期；所提工作流在效率与物理可解释性间取得平衡，但瞬态双向流固耦合、实验验证与疲劳评估仍是后续必要方向。

结论部分翻译：本研究建立了一种结合BEMT筛选、CFD载荷提取与单向流固耦合的集成工作流，用于评估跨介质螺旋桨在空气启动、水中启动和来流进水三种典型工况下的结构性能。结果表明，结构响应对介质与来流条件高度敏感，来流进水工况构成关键结构设计场景。在所有评估工况中，叶根过渡区始终被识别为主载荷传递路径与主导应力集中区域，该发现为局部几何修改提供了明确优化目标。含2 mm圆角与叶根强化的局部优化策略行之有效：关键来流进水工况下，最大冯·米塞斯应力由129.8 MPa降至87.0 MPa，最大总变形由5.378 mm降至3.669 mm，其他工况结构响应也得到改善。该流程适用于跨介质螺旋桨初步工程设计，将快速性能筛选与更高保真结构校核及定向局部再设计连接起来。未来工作应纳入实验验证、瞬态或双向流固耦合、疲劳评估，以及结构安全性与推进性能的协同优化。