基于状态空间法的低马赫数翼型气动载荷计算

Leishman-Beddoes(L-B)非定常动态失速模型适用于中等马赫数(Ma>0.3),而在低马赫条件(Ma<0.3)下存在与翼型气动试验数据不符合的问题,为此首先研究了低马赫数条件下翼型的非定常动态失速气动特性,其次采用状态空间法从翼型表面气流变化的角度修正了L-B模型,最后通过与翼型气动载荷试验数据的对比表明在低马赫数条件下对L-B模型的修正是正确的,能够准确预测及分析翼型的气动载荷,且该修正模型易于耦合进直升机综合分析代码中.      

旋翼翼型非定常动态失速响应的计算

基于旋翼非定常翼型气动模型,给出了计算分离流和深度失速状态下的翼型非定常升力、俯仰力矩的数值计算方法。该方法采用半经验指数响应公式,利用数值离散方法来求解翼型的非定常法向力和俯仰力矩。分别计算了NACA0012和SC-1095翼型上的非定常气动载荷,并与可得到的试验结果进行了对比,验证了方法的有效性。文中还讨论了缩减频率和马赫数对动态失速响应的影响;然后,这个模型被改进以适用于后掠流下的翼型动态失速响应计算,分析了后掠角对翼型动态失速响应的影响。最后,得出了一些结论。     

旋翼翼型非定常动态失速特性的CFD模拟及参数分析

构建了一套基于运动嵌套网格技术和可压缩RANS方程的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度的CFD方法。首先,发展了基于Poisson方程求解的围绕翼型的粘性贴体正交网格生成方法,并提出了基于最小距离法(MDM)改进策略的运动嵌套网格生成方法,克服了弹簧法可能导致网格畸变的不足;其次,为准确模拟由湍流分离和气流再附引起的气动力的迟滞效应,基于RANS方程、双时间方法和高阶插值格式,建立了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用能够较好捕捉气流分离现象的S-A湍流模型;再次,针对旋翼后行桨叶动态失速时桨叶剖面来流速度较低、迎角较大的特点,为解决低来流速度时L-B半经验模型在旋翼翼型非定常动态失速计算中的局限性,并克服可压缩方程对低速流场计算收敛困难和精度低的问题,建立了基于Pletcher-Chen低速预处理方法、FAS多重网格法和隐式LU-SGS方法相结合的高效数值方法。应用发展的方法,分别针对NACA0012、SC1095旋翼翼型静态和轻度、深度动态失速进行计算,精确捕捉了气动力迟滞效应以及翼型前缘脱体涡的产生、对流和脱落过程,验证了本文方法的有效性;最后,着重针对NACA0012动态失速状态,开展了振荡参数对旋翼翼型非定常动态失速特性影响的分析,研究结果表明翼型迎角平均值、振幅及减缩频率的变化均能引起迟滞效应的改变并使得气动力峰值发生有规律的前、后移现象等。     

动态失速对直升机前飞平衡特性的影响研究

为研究动态失速对直升机平衡特性的影响,建立了直升机飞行动力学模型,翼型气动模型采用准定常静态失速模型和Leishman-Beddoes非定常动态失速模型,将UH-60A直升机的前飞平衡特性计算结果与飞行测试数据进行对比分析。结果表明,在0~80 kn飞行速度范围内,桨叶未发生动态失速;在80~160 kn飞行速度范围内,桨叶发生动态失速;与静态失速模型相比,采用动态失速模型计算得到的结果更接近于飞行测试数据。     

翼型动态失速的数值研究

用不可压缩流动的求解算法，结合WilcoxDC提出的k－ω模式和k－ωSST湍流模式，对翼型的动态失速进行了数值模拟。通过对典型的振荡翼型轻失速和深失速算例的计算结果分析可以看出：（1）绕动态失速翼型的流场结构十分复杂，轻失速和深失速在流动特性上有很大区别。计算结果显示：轻失速主要是由于后缘分离引起，分离涡的影响范围主要是在后缘附近。而深失速则首先形成很大的前缘分离涡，该分离涡在翼型表面上运动，并诱发出二次分离涡，引起翼型升、阻力系数的显著变化。（2）对于动态失速的翼型绕流，k－ωSST湍流模式是较为有效的，计算出的气动力系数迟带曲线变化趋势与实验结果符合得比较好。     

多相等离子体气动激励抑制翼型失速分离的实验

开展了多相等离子体气动激励抑制NACA0015翼型失速分离的实验,详细研究了翼型升阻特性随激励电压、激励相角、输入电压波形和占空比等激励参数的影响.研究表明:雷诺数Re=4.9×105(来流速度60m/s)时,多相等离子体气动激励可有效抑制NACA0015翼型吸力面的流动分离,将翼型临界失速攻角提高2°;相位对流动控制...     

基于LB动态失速模型的摆线桨气动性能计算方法

在Mcnabb摆线桨计算模型的基础上,提出了基于LB动态失速模型的改进的气动力计算模型。该模型可以计入叶片分离流动和叶片翼型升阻特性的影响,从而提高摆线桨悬停状态下的气动力计算精度。将计算结果与悬停时不同条件下的摆线桨的实验结果和原计算模型进行了对比,结果表明,所提出的计算模型具备很高的计算精度,可以用于摆线桨悬停状态下的气动性能设计与分析。通过对计算结果的分析,揭示了摆线桨具备高气动效率的部分机理。     

后缘襟翼对直升机旋翼翼型动态失速特性的影响

 针对带后缘襟翼的智能旋翼直升机典型襟翼参数对翼型动态失速特性的影响进行了研究。建立了带后缘襟翼的桨叶动态失速模型,考虑了襟翼与桨叶之间的缝隙和襟翼在运动过程中相对桨叶的凸起,采用计算流体力学(CFD)方法,研究了不同襟翼转轴位置和襟翼与桨叶的缝隙情况下的翼型动态失速特性,探讨了后缘襟翼激励幅值、时长和起始时刻对升力和俯仰力矩系数的影响。研究结果表明:后缘襟翼能够较好地改善翼型动态失速时的气流环境,并减缓动态失速发生;襟翼激励最优幅值在25°附近,最优激励范围在方位角为240°~360°之间;襟翼转轴后移导致襟翼运动时产生的凸起会使襟翼控制效果减弱;襟翼与桨叶的缝隙会影响翼型动态失速特性,但是缝隙的长度(弦长的2%以内)对襟翼控制效果的影响很小。     

自转旋翼机飞行性能理论建模技术

为研究自转旋翼机的飞行性能理论建模技术,基于基本分析法和配平分析法,对自转旋翼机整机需用功率的建模方法进行了研究,并研究了自转旋翼机的桨盘迎角特性、升阻特性以及自转旋翼桨叶剖面迎角分布特性等。研究表明:建立的基本分析法和配平分析法计算模型均可以准确计算自转旋翼机的整机需用功率和自转旋翼桨盘迎角,两种方法均可用于自转旋翼机飞行性能的分析;小速度时整机需用功率主要来自于自转旋翼功率,大速度时机身废阻功率成为整机需用功率的主要来源;适当增加总距可以提高自转旋翼和整机的升阻比;在自转旋翼设计时可以对桨叶剖面翼型的展向分布进行优化,在桨根处优先采用相对不易失速的翼型以推迟失速对最大飞行速度的限制。     

旋翼翼型动态失速机理及非定常设计研究进展

旋翼翼型的动态失速现象限制了直升机的最大飞行速度和机动性,并且其产生机理复杂、抑制困难,是直升机空气动力学领域持续关注的重点与难点问题.本文首先介绍了试验、半经验模型和计算流体力学(CFD)等旋翼翼型动态失速研究方法的发展,分析了不同方法的优缺点和适用范围.其次,梳理了旋翼翼型动态失速机理及气动外形、迎角及来流等参数影响机制的研究进展.综合对比发现,变来流-变迎角耦合状态的动态失速更符合旋翼桨叶剖面的流动特征,是未来旋翼翼型动态失速研究的重要方向之一.然后,阐述了旋翼翼型设计方法和设计理念的发展历程,分析了主流翼型定常设计与少数非定常设计理念的优缺点.分析结果表明,非定常设计可以获得既能缓解动态失速又能显著提高静态气动特性的翼型,综合考虑旋翼桨叶剖面运动与来流特征的非定常设计是当前旋翼翼型设计的一个新方向.最后,对旋翼翼型设计的未来发展方向进行了讨论,提出了旋翼翼型设计与旋翼桨叶一体化设计的多层级、多阶段发展设想.     

Airfoil Aeroelastic Flutter Analysis Based on Modified Leishman-Beddoes Model at Low Mach Number

Based on modified Leishman-Beddoes (L-B) state space model at low Mach number (lower than 0.3), the airfoil aeroelastic system is presented in this paper. The main modifications for L-B model include a new dynamic stall criterion and revisions of normal force and pitching moment coefficient. The bifurcation diagrams, the limit cycle oscillation (LCO) phase plane plots and the time domain response figures are applied to investigating the stall flutter bifurcation behavior of airfoil aeroelastic systems with symmetry or asymmetry. It is shown that the symmetric periodical oscillation happens after subcritical bifurcation caused by dynamic stall, and the asymmetric periodical oscillation, which is caused by the interaction of dynamic stall and static divergence, only happens in the airfoil aeroelastic system with asymmetry. Validations of the modified L-B model and the airfoil aeroelastic system are presented with the experimental airload data of NACA0012 and OA207 and experimental stall flutter data of NACA0012 respectively. Results demonstrate that the airfoil aeroelastic system presented in this paper is effective and accurate, which can be applied to the investigation of airfoil stall flutter at low Mach number.     

带有气动及结构非线性的二元机翼颤振分析

研究了翼型在低马赫数条件下的非定常气动特性,从翼型表面气流运动的角度对Leishman-Beddoes(L-B)模型进行了修正,并在此基础上建立了适合低马赫数颤振研究且带有气动及结构非线性的二元机翼气弹系统分析模型.对比低马赫数翼型气动载荷试验结果表明对L-B模型的修正是有效的,且机翼颤振试验结果亦验证了二元机翼气弹分析模型.研究结果表明:二元机翼气弹系统的失速颤振与初始变距角和来流速度密切相关,且耦合的三次非线性变距和浮沉刚度是造成系统呈现准周期运动的主要原因.      

仿生正弦前缘对翼面动态失速的影响

动态失速导致叶片气动载荷急剧变化，造成振动载荷激增，桨叶寿命大幅衰减。针对动态失速问题，从座头鲸胸鳍在动态倾转下取得良好的流动特性获得启示，据此模化出仿生正弦前缘翼面（包含3种波峰和2种波长），旨在实现动态失速控制。借助三维非定常数值模拟方法，采用运动网格技术，基于SC1095旋翼翼型，研究了仿生前缘动态失速流动控制机理及运动参数和来流速度的影响。结果表明：正弦前缘大幅度降低俯仰力矩系数峰值和阻力系数峰值；前缘波峰越大、波长越小，阻力系数峰值与俯仰力矩系数峰值的抑制效果越明显，虽然升力系数峰值减小，但其减小量远小于前两者，例如其中一种仿生翼使俯仰力矩系数峰值减小了47.7%，阻力系数峰值减小了36.4%，升力系数峰值减小14.1%；在最大迎角附近，正弦前缘能够缓和失速特性，使载荷变化更为平缓；在高平均迎角、低俯仰频率、低马赫数下，仿生翼动态失速控制效果更强，相比较而言迎角振幅的影响较小。     

基于联合射流的翼型动态失速流动控制研究

动态失速控制对于提高翼型气动特性具有重要意义。采用联合射流方法对翼型俯仰动态失速控制进行数值模拟,完成两方面的研究:一是射流关闭时射流通道对动态失速特性的影响,二是射流开启时不同射流动量系数对动态失速控制的影响和分析。结果表明:射流关闭时,射流通道的存在对翼型上仰过程中附着流阶段的气动特性产生不利影响,使得升力系数明显下降,但是对翼型下俯过程中失速分离流阶段的气动特性影响不明显;射流开启后,动态失速特性得到极大改善,迟滞环面积显著减小,升力增加,阻力减小,且阻力和力矩的峰值显著减小,原基准翼型力矩曲线的负阻尼区域消失。     

三角翼匀速上仰跨声速非定常流场数值模拟

用有限差分法求解Ｎ－Ｓ方程，数值模拟了细长三角翼作匀速上仰运动时的距声速绕流流场。给出了非定常流场结构，涡破裂特性和非定常升力，阻力特性，研究了上仰运动对动态失速的影响。     

翼型动态失速的变下垂前缘控制数值模拟

用CFD方法对VR-12翼型可压缩动态失速的变下垂前缘控制概念进行了数值模拟研究.模拟结果显示,变下垂前缘控制能在最大升力下降不大的情况下,非常显著地降低最大阻力,减小俯仰力矩负峰值,明显改善动态失速的负面效应.在流动机理上,变下垂前缘控制完全消除了动态失速涡.对参数影响的模拟研究表明,变下垂前缘控制的优势对马赫数、简缩频率或下垂控制方式的变化不敏感,是一种健壮的翼型可压缩动态失速控制手段.      

应用协同射流原理的旋翼翼型增升减阻试验研究

协同射流技术作为一种新型主动流动控制技术,是突破旋翼翼型高增升减阻设计的最有潜力的发展方向之一。以 OA312 旋翼翼型作为基准翼型,研制微型涵道风扇组为驱动的旋翼翼型 CFJ 风洞测力模型,开展基于前缘高负压零质量内循环协同射流原理的旋翼翼型高增升减阻低速风洞试验,研究吹气口大小、吸气口大小和上翼面下沉量等基础参数对增升减阻的影响规律,探讨 CFJ 旋翼翼型关键参数最佳取值。结果表明：与OA312 基准翼型相比,小攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著降低阻力系数,甚至出现“负阻力”现象,实现了零升俯仰力矩基本不变;大攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著提升最大升力系数和失速迎角,其中,最大升力系数可提升约 67.5%,失速迎角推迟了近 14.8°。     

Aerodynamic performance of a low-Reynolds UAV with leading-edge protuberances inspired by humpback whale flippers

The aerodynamic forces and flowfield on a delta-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with specific airfoil are studied here. The leading-edge protuberances inspired from the flippers of the humpback whale is introduced in present work to watch its effect on stall delaying and drag reduction. Two installing factors, which are amplitude and wavelength of the protuberances, are considered to study the interaction of leading-edge variation and de-tached vortex. Three changes in both amplitude and wavelength are investigated herein. Generally, the modified models have larger stall angle of attack than that of the baseline model; the difference exists in the attainable lift coefficient and drag reduction.     

基于后缘小翼的旋翼翼型动态失速控制分析

针对后缘小翼(TEF)的典型运动参数对旋翼翼型动态失速特性的控制进行了研究。发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度CFD方法。通过求解Poisson方程生成围绕旋翼翼型的黏性贴体和正交网格,为保证后缘小翼附近的网格生成质量,建立了基于翼型点重构的方法来描述后缘小翼的偏转运动;为克服变形网格方法可能导致网格畸变的不足,发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型运动嵌套网格方法。基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程、双时间法、Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型和Roe-Monotone Upwind-centered Scheme for Conservation Laws(Roe-MUSCL)插值格式,发展了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel(LU-SGS)隐式时间推进方法及并行技术提高计算效率。以有试验结果验证的HH-02翼型和SC1095翼型为算例,精确捕捉了动态失速状态下的气动力迟滞效应,验证了本文方法的有效性。着重针对SC1095旋翼翼型的动态失速状态开展后缘小翼的控制分析,提出了可以体现翼型升力、阻力及力矩综合特性的关系式Po和Pc,揭示了后缘小翼振荡频率、相位差和偏转幅值对动态失速特性影响的规律。研究结果表明:当后缘小翼偏转的相对运动频率为1.0,且小翼运动规律与翼型振荡规律之间的相位差为0°时,后缘小翼能够更好地抑制翼型动态失速现象;在此状态下,当偏转幅值为10°时,SC1095翼型最大阻力系数和最大力矩系数可以分别降低19%和27%。