【技術應用】Joby Aviation借助STAR-CCM+推出創新的電動推進概念
憑借其在電機設計和制造、高保真空氣動力學分析以及復合材料機身設計和制造方面的專業知識，Joby Aviation(成立于2009年，總部位于加州圣克魯斯) 正在利用這些新技術開發一系列具有創新性的飛機。然而，由于多項因素相互影響的復雜性以及缺乏參考，在設計過程中必須進行大量的高精度氣動分析。因此，Joby Aviation非常依賴計算流體動力學(CFD)分析，他們使用Simcenter STAR-CCM+?軟件來開發非常規的創新設計。
S2機型是Joby Aviation研發的垂直起降(VTOL)飛機之一，如圖1所示。Joby S2 采用了分布式電力推進系統創新設計，解決了傳統直升機的噪音大、運營成本高、飛行速度低和相對較低的安全性能。Joby S2 在垂直起降時采用了多螺旋槳構型，這種冗余設計提高了飛行安全性。
圖1 Joby S2構型
在巡航中，這些螺旋槳中的大多數都折疊平放在吊艙上以減少阻力。這對螺旋槳葉片設計提出更高要求，需要高階的 CFD 計算工具來權衡螺旋槳升力性能以及折疊葉片產生的機艙阻力。Joby Aviation工程師使用Simcenter STARCCM+ 評估了各種運行條件下的各種螺旋槳設計，并使用 γ-Reθ 轉捩模型分析了在巡航過程中機艙的阻力特性。圖2所示為某型吊艙設計的表面摩擦系數，左圖為螺旋槳未折疊的吊艙表面，右圖為螺旋槳折疊后的吊艙表面。仿真結果表明，優化后的螺旋槳葉片設計增加了層流并減少了巡航阻力。
Joby Aviation 的另一個項目是 Lotus 飛機，該公司正在使用它來探索 55 磅無人機（UAV）規模的新型 VTOL 構型。在這架飛機中，每個翼尖上的兩葉螺旋槳為垂直起飛提供推力。在飛機獲得足夠的前進速度以獲得足夠的機翼升力后，每組兩個葉片合在一起，葉片成為翼尖延伸，形成一個分裂的翼尖。傾斜尾槳在起降期間提供俯仰控制，并推動飛機向前飛行。Lotus的起飛和巡航布局如圖3所示。
正如所預料的那樣，這些翼尖螺旋槳葉片的設計——翼展、翼型選擇、扭轉和弦分布、槳距等——是螺旋槳和翼尖性能之間的權衡分析。Joby Aviation設計師在巡航狀態下對這些設計變量的組合運行了數十個 CFD 仿真，以在構型約束范圍內最大限度地提高性能。同時，還利用 CFD 分析了這些葉片在螺旋槳狀態下的性能，以驗證低階設計方法。
圖4 巡航狀態下CFD分析
Joby Aviation參與的第三個項目是與美國國家航空航天局(NASA)合作的前緣異步螺旋槳技術(LEAPTech)。項目的目標是研究通過電力推進對傳統固定翼飛機進行改進。一排小螺旋槳安裝于機翼的前緣，在起飛和降落過程中，這些螺旋槳增加機翼上的速度。該設計增加了機翼產生的升力，并允許較小的機翼用于相同的失速限制。許多小型飛機通過增大機翼尺寸來滿足失速速度限制，但對于最佳巡航性能來說機翼太大了，這種較小的機翼提供了更高效的巡航。
然而，這種吹氣機翼的性能很難用低階工具進行分析，特別是因為大部分所需的分析都發生在失速條件下。因此，在設計過程中進行了大量的CFD模擬，研究了螺旋槳尺寸和功率、機翼展弦比和尺寸、攻角等各種組合。為了減少計算成本，在Simcenter STAR-CCM+中采用BEM（Blade Element Method）方法將螺旋槳建模為作動盤，從而消除了求解葉片幾何形狀的需要，大大降低了模型所需的網格數量。
測試這種構型的第一階段是建造全尺寸的機翼、螺旋槳和發動機，并將它們安裝在一輛改裝過的半掛卡車上，卡車在加利福尼亞州愛德華茲市的美國宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心的跑道上以起飛速度行駛。圖6顯示了該構型的CFD解決方案示例，圖7顯示了實驗測試設備。
圖7 LEAPTech試驗測試
在起飛和降落之外，這些前緣螺旋槳將折疊在它們的短艙上——類似于S2螺旋槳——而翼尖螺旋槳，如上所述，將提供推進力。雖然低階分析方法被用于評估這些螺旋槳與翼尖渦旋同心運行時的阻力和效率影響，但非定常CFD被證明是最可靠的分析方法。
Joby Aviation正以其革命性的電力推進概念迅速推進通用航空飛機的發展，而Simcenter STAR-CCM+模擬在幫助他們理解其最先進理念的復雜性以及設計和開發非常規系統方面發揮著重要作用。
文章來源：STAR-CCM-Online
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