直升机动态失速研究

本文简要介绍了旋翼和翼型的动态失速特性、动态失速主动和被动控制、旋翼综合法预测使用的一些动态失速模拟方法.UH-60A直升机飞行试验11029飞行是一个典型的旋翼动态失速实例,表演出旋翼后行桨叶上出现高攻角引起的动态失速,而前行桨叶上则出现因为激波诱导前缘分离引起的动态失速.翼型的动态失速特性方面介绍了典型的动态失速迟滞回线(攻角正弦变化和锯齿变化)、缩减频率和雷诺数对翼型动态失速特性的影响等.动态失速主动控制介绍可动前缘翼型的情况,被动控制则是使用前缘涡发生器的情况.     

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.     

跨音速无激波翼型的一种设计方法

本文采用全位势方程,在超音速区采用虚拟气体假设,给出了跨音速无激波翼型设计的一种方法。本方法能将已知翼型在给定马赫数和攻角条件下,修改设计成无激波翼型。     

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°。     

变来流下翼型动态失速的协同射流控制数值模拟

针对直升机前飞时旋翼在变来流下出现动态失速的问题，发展了基于协同射流的翼型动态失速控制方法。选取NACA0012翼型为研究对象，基于转捩SST湍流模型求解非定常雷诺平均Navier-Stokes方程，开展不同参数下协同射流控制翼型动态失速的数值模拟。研究结果表明，协同射流能够有效抑制变来流条件下的翼型动态失速。在变来流下，射流流道对翼型原始气动特性产生不利影响，功率系数的增长速度快于射流动量系数的增加，协同射流存在具有较好控制效果的最佳工作区间。协同射流通过与主流掺混来加速涡系演化，以抑制动态失速，通过增强弦向气流的动能以克服逆压梯度，从而抑制流动分离和促进流动再附着。在马赫数0.283、减缩频率0.151、前进比0.25的条件下，协同射流使翼型升力提高、阻力下降、负俯仰力矩峰降低、流动再附着提前，翼型气动特性得到明显改善。     

多段翼型局部主动变形流动控制的非定常数值模拟

对30P30N三段翼型失速攻角附近的分离流动进行了数值模拟研究。为了抑制大攻角时背风区的流动分离,在主翼段上表面引入了行波壁变形模型和抛物型局部主动振动模型,利用作者以往发展的动态混合网格技术和相应的非定常计算方法,对变形过程中的非定常分离流动进行了数值模拟,分析了各种变形参数对流动分离的影响。计算结果表明,在适当的条件下,局部主动变形能够抑制翼型背风区的分离,由此可以起到增升减阻的作用,改善翼型的气动性能。     

基于充气前缘技术的旋翼翼型动态失速抑制

动态失速的发生会在直升机旋翼桨叶和桨毂上产生高的交变扭转振动载荷,并限制直升机高速重载状态下的使用包线。本文利用计算流体力学(CFD)方法对基于充气前缘(ILE)技术的SC1095旋翼翼型动态失速抑制进行研究,分析了ILE抑制动态失速的控制机理,获得了ILE结构布置和充放气方式对动态失速的影响规律。研究表明:ILE可以有效抑制动态失速的发生;ILE最大膨胀程度越大,其抑制动态失速的效果越好,但膨胀程度过大后抑制效果开始减弱;ILE在翼型上仰至最大迎角时恰好达到最大膨胀状态,其对动态失速的抑制效果最好;ILE保持最大膨胀状态的时间长短对抑制效果影响不大;在翼型上仰至不同迎角时开始对ILE充气会对动态失速抑制有较大影响;ILE整流段与翼型连接位置对动态失速抑制有很大影响,整流段越长,抑制效果越好。     

不同参数对直升机铰接式旋翼气流失速边界的影响的研究

本文分析了直升机铰接式旋翼气流失速边界受马赫数，攻角，俯仰和侧倾角速度，浆叶方位角位置的影响，得出了确定气流失速边界的公式。     

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%。     

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。     

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。     

直升机旋翼翼型需求分析及技术发展展望

与机翼翼型相比,旋翼翼型在前飞时来流速度和迎角处于大范围变化之中,需要针对多种气动环境进行综合权衡设计.针对常规直升机和新构型高速直升机,综合考虑多种飞行条件,分析了旋翼翼型设计的性能需求.总结了先进旋翼翼型系列的发展及应用情况,以OA和TsAGI翼型为例分析了旋翼翼型的气动性能特点和发展趋势.从旋翼翼型指标分解、动态气动特性计算与试验、气动优化设计等方面介绍了旋翼翼型技术的发展现状,并对未来旋翼翼型技术的发展进行了展望.     

直升机旋翼翼型需求分析及技术发展展望

与机翼翼型相比,旋翼翼型在前飞时来流速度和迎角处于大范围变化之中,需要针对多种气动环境进行综合权衡设计.针对常规直升机和新构型高速直升机,综合考虑多种飞行条件,分析了旋翼翼型设计的性能需求.总结了先进旋翼翼型系列的发展及应用情况,以OA和TsAGI翼型为例分析了旋翼翼型的气动性能特点和发展趋势.从旋翼翼型指标分解、动态气动特性计算与试验、气动优化设计等方面介绍了旋翼翼型技术的发展现状,并对未来旋翼翼型技术的发展进行了展望.     

总距突增时共轴式直升机瞬态操纵响应分析

从共轴双旋翼直升机的工程实际出发,建立了共轴式直升机上下旋翼非定常气动特性的计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;分别从固定尾迹和自由尾迹,引入干扰因子到动态入流三种方法出发,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从跷跷板式旋翼的挥舞动力学方程出发,利用4阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解.通过计算分析,得到了悬停和前飞状态,总距突增时上下旋翼升力的动态响应特性,以及总距突增时上下旋翼桨叶铰链力矩的响应特性.      

Gurney襟翼改善翼型动态失速特性研究

采用CFD数值方法,研究了NACA0012翼型、加装传统Gurney襟翼及改进不对称Gurney襟翼后翼型的动态失速特性。给出了传统襟翼对翼型动态失速特性的影响,并带来较大动态低头力矩的不足,基于传统襟翼的不足,提出了改进的不对称Gurney襟翼方案。研究表明,不对称Gurney襟翼可较好改善翼型的动态失速特性,在增加动态升力的同时,俯仰低头力矩明显减小,可能是直升机旋翼的较理想翼型。     

用N—S方程计算翼型非定常粘性大攻角绕流

本文给出了用ＮＳ方程对翼型非定常粘性大攻角绕流的数值模拟。控制方程为二维时均可压缩完全ＮＳ方程；湍流模型采用双层代数涡粘性模型。使用近似因式分解ＡＤＩ差分格式离散求解，网格是用保角变换方法生成的相对翼型固定的Ｃ型网格。本文给出两类典型非定常绕流数值模拟结果：翼型过失速常攻角周期流动和大攻角强迫俯仰谐振非定常绕流。并与国外的实验和计算结果进行了比较，表明了本方法准确、高效的特点。     

翼型动态失速影响因素及流动控制研究进展

深入认识翼型动态失速，结合有效流动控制手段，对解决直升机、风力机桨叶等动态失速引起的高阻力、大低头力矩等气动问题具有重要意义。本文首先介绍了翼型动态失速的流场特点和危害，进而分析了缩减频率、雷诺数、马赫数以及翼型型面等参数对动态失速的影响，并在此基础上总结了常见的动态失速流动控制方法及其研究进展。等离子体气动激励易于产生快速、可控的宽频带气动激励，在动态失速控制领域具有潜力，本文着重介绍了等离子体气动激励动态失速控制的概念和流动控制原理，总结了近来年等离子体激励在翼型动态失速控制上的进展。     

平均攻角和振幅对振荡翼型气动特性的影响

采用一种基于k-ωSST模型和γ-θ转捩模型的雷诺平均N-S方程数值方法,对雷诺数Re=1.35×105下的NACA0012振荡翼型和静态翼型非定常流场和升力特性进行模拟,在缩减频率K=0.1的条件下研究了翼型振荡运动中平均攻角和振幅对平均升力系数的影响,并与静态翼型的升力特性及实验结果进行了对比。结果表明:当平均攻角小于临界攻角时,翼型的振荡运动会降低平均升力系数,当平均攻角大于临界攻角同时最小攻角小于临界攻角时,翼型的振荡可以提高平均升力系数。在平均攻角为12°~17°时,翼型振幅为6°左右时可获得最大平均升力系数,与静态翼型相比,平均升力系数可提高30%~45.7%。当振荡过程中最小攻角对应静态翼型轻失速攻角时,翼型上仰阶段前缘涡的产生和集中涡的稳定附着是平均升力系数大幅度阶跃式提升的原因,静态翼型与振荡翼型的组合可提高升力并拓宽攻角范围。     

跨音速翼型和机翼的反设计计算方法

给出一种跨音速翼型和机翼的反设计计算方法。对所应用的积分方程反方法引入人工粘性项;采用Riegels因子法消除前缘奇性;对强激波问题采用光滑-松弛过程;并将方程中的系数积分成解析形式;对二维翼型反设计计算还提出了一种封闭形式的正则化条件。算例结果表明,该方法对跨音速翼型和机翼设计是一种有效的工具。     

小型共轴式直升机旋翼桨叶铰链力矩研究

从工程实际出发,建立了共轴双旋翼直升机桨叶铰链力矩计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;引入干扰因子到Pitt-Peters动态入流模型,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从桨叶的挥舞动力学模型出发,利用四阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解,并利用模态叠加法计算桨叶的挥舞向变形.最后,通过对在研共轴直升机的计算得知,上下旋翼桨叶铰链力矩虽然在分量上有所差异,但是总的铰链力矩基本相同;中高速飞行时,上下旋翼桨叶铰链力矩在下倾斜盘累积成为使下倾斜盘前倾的力矩.