旋翼地面效应的气动建模与特性

地面对旋翼气动特性影响明显，且导致旋翼流场更加复杂。为分析地面效应下的旋翼桨尖涡和流场变化特性，基于涡面和无滑移边界条件，求解第2类Fredholm方程获得地面涡面矢量分布，且将涡面矢量按涡扩散方程扩散到流体中，建立考虑黏性效应的地面气动模型，并耦合非定常面元/黏性涡粒子混合法以体现旋翼桨叶气动特性和旋翼尾迹的非定常效应，构建旋翼地面效应气动分析方法。通过计算Lynx尾桨地面效应下的性能和桨尖涡轨迹，并计算Maryland大学模型旋翼和NASA缩比旋翼地面效应下的垂向、径向速度分布，且与试验和CFD计算结果对比，验证了本文方法能较好捕捉地面效应下的旋翼尾迹变化特性和复杂速度场特性，且结果表明本文方法能较好模拟地面效应下旋翼桨尖涡的收缩、扩散、井喷、地面射流等物理现象。     

近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其诱导速度

本文用一简化自由涡模型模拟旋翼尾涡系,用一简单涡模拟地面涡,对近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其引起的诱导速度变化作了研究。在地面涡和地面的影响下,桨盘附近的尾涡几何位置发生很大变化,导致桨盘处的诱导速度发生很大变化。尾涡畸变在桨盘处引起的诱导速度变化远远大于地面涡和地面在桨盘处直接产生的诱导速度。考虑尾涡畸变后计算出的诱导速度在桨盘处的分布和实验符合很好。     

升力面尾涡卷起的地面效应

本文就二维平板从理论上证明了改进涡格法的超收敛性。用该方法研究了近地升力面尾涡卷起的地面效应。尾涡面上的自由线涡方向应与当地流线方向一致,通过迭代满足这一非线性边界条件的确定尾涡的形状。地面效应以镜象涡系模拟。一系列计算结果表明迭代迅速收敛。本文讨论了升力面距地高度对尾涡位置和形状的影响,计算表明当该高度小于一定距离后,尾涡呈现不稳定。     

大型运输机地面涡流场数值模拟

针对地面涡现象,建立了大型运输机装配涡扇发动机的三维模型,采用数值仿真方法模拟计算不同风速、风向、滑行速度条件下的地面涡流场。根据计算结果分析得到了地面涡流场分布特征及变化规律,提出了该型机运营过程中的注意事项。结果表明：针对该型机,地面涡进气主要造成进气旋流畸变,进气总压畸变水平较低,畸变指数保持在1.1%～1.7%之间。逆风风速大于5 m/s时地面涡消失,其强度随风速增加先增后减;随着风向变化,地面涡流场的涡系结构不断变化,处于下风侧的短舱更容易产生地面涡;滑行条件下地面涡强度变化较小,滑行速度达到3 m/s时已无涡吸入。实际使用中,地面静止开车时应着重观察旋流畸变较大的1号、4号发动机的工作状态;滑行时应着重观察地面涡吸入能力较强的2号、3号发动机的外物吸入情况。     

滑跑条件下短舱进气道地面涡数值仿真

针对滑跑条件下短舱进气道地面涡进行了三维数值仿真研究,分析了来流风速、滑跑速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的变化规律以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:随着滑跑速度的增加,地面涡会向下游移动,当滑跑速度达到一定值时,地面涡消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,随着短舱进气道距地面高度的增加,地面涡向下游移动;在风速一定的情况下,随着滑跑速度的增加,地面涡强度先增加后减弱。文中给出了滑跑条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

基于N-S方程的地面效应模拟

模拟了低速情况下二维翼型的地面效应问题，其中翼面流动利用一种改进的、基于不可压N－S方程的离散涡方法来模拟，地面模拟则利用一系列连续分布的涡板块来实现。利用上述模型研究了地面对翼型表面流动和压力分布的影响，并对有地面存在条件下的尾涡发展规律进行了讨论。计算结果表明，该方法能够有效地模拟低速情况下翼型的近地面流动，具有一定的工程应用价值。     

侧风条件下短舱进气道地面涡数值模拟

为了研究起飞状态下进气道地面涡的形成与发展规律,针对缩比的短舱进气道模型进行了3维数值仿真,分析了来流速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的特点以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:侧风来流速度越低,越容易形成地面涡,随着侧风来流速度的增高,地面涡会消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,地面涡的环量越大;地面涡的形成会增大进气道出口截面的流场畸变程度,短舱进气道距地面高度对畸变的影响很小,畸变主要受侧风来流速度的影响。最后给出了侧风条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

基于干扰距离控制的直升机桨-涡干扰噪声降噪方法

提出了一种适用于直升机旋翼桨-涡干扰距离计算的方法。针对桨-涡干扰距离计算中必需的旋翼桨盘入流及桨盘倾角,又分别建立了旋翼耦合N-S （Navier-Stokes）/自由尾迹模型和桨盘配平模型进行求解,其特点是兼顾计算精度和计算效率;并从悬停、前飞两方面验证了方法的有效性。应用所建立的桨-涡干扰距离计算方法,着重分析了直升机纵向平面力以及飞行参数对旋翼桨-涡干扰距离的影响机理,并进一步计算了不同纵向平面力作用下的旋翼地面声场特性及影响规律。结果表明:合理施加纵向平面力、加速度等措施后,地面最大噪声降低约4dB。同时,还通过研究桨-涡干扰距离与飞行参数的影响关系,得到了一些对直升机低噪声飞行具有实际指导意义的结论。      

地效飞行器地面巡航气动性能数值模拟及分析

采用有限体积方法求解定常可压缩流动的质量加权平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,模拟地效飞行器地面巡航全机流场。计算结果给出了地效飞行器气动性能随飞行高度和迎角的变化规律;采用镜像法理想涡模型分析了地面效应对翼尖涡位置和气流下洗角的影响;详细阐明了地面效应对诱导阻力的影响规律。     

基于CFD和混合配平算法的直升机旋翼地面效应模拟

建立了一套基于非结构网格技术和动量源模型的直升机旋翼计算流体力学(CFD)方法,用来模拟贴地飞行时直升机旋翼非定常气动特性。其中,控制方程采用三维Navier-Stokes方程,空间方向上采用Jameson格式,时间方向上采用五步Runge-Kutta迭代法,选用Spalart-Allmaras湍流模型。旋翼对流场的作用采用动量源项模拟,为更真实地模拟地面效应(IGE)的作用,采用了"移动地面"的物面边界来代替常规的"固定地面"边界,并对旋翼附近及旋翼与地面之间的网格进行加密处理,以提高地面涡的捕捉精度。考虑实际飞行环境下旋翼的运动和操纵,在流场计算时考虑旋翼配平特性。其中,配平方程的旋翼气动力通过CFD方法和动量-叶素组合理论模型的耦合计算给出,为了提高配平方法的鲁棒性和效率,提出并建立了基于遗传算法/拟牛顿法的高效混合迭代算法。运用所建立的方法,首先,选用有试验结果可供对比的算例计算了地面效应作用下的旋翼拉力增益、功率变化,验证了计算方法的有效性,解决了涡流理论方法较难模拟的"小速度前飞旋翼需用功率突增"问题。然后,着重研究了UH-60A直升机旋翼在不同离地高度、不同前进比状态,旋翼需用功率、诱导速度、地面涡及旋翼操纵的变化规律。计算结果表明:地面涡出现在较小的前进比范围内,随前进比的增大,地面涡在纵向平面将顺来流方向移动,在轴向方位靠近地面方向移动,直至最后不断减弱消失。     

贴地飞行时旋翼空气动力学实验研究

 本文对贴地飞行时的旋翼进行了流场显示和桨盘处下洗速度测量的实验研究。揭示并研究了环流和地面涡现象及其对旋翼平面下洗速度分布的影响,指出了旋翼贴地飞行时拉力、力矩等剧烈变化的原因。     

地面效应中悬停旋翼的自由尾迹计算

发展了一种具有良好收敛性的自由尾迹模型,用于对地面效应(IGE)状态下的旋翼悬停尾迹进行数值模拟。其中使用直涡元对桨尖涡丝进行离散,使用面元法模拟地面对流场的影响。针对以往类似研究中旋翼高度较低时自由尾迹迭代不易收敛的问题,引入了地下尾迹等比例修正并提出了环式地面面元分布等多项修改办法来改善计算模型的收敛性,同时这些改进也起到了削减计算量的作用。为了对新构建模型进行验证,以多个高度下的旋翼有地效状态为算例,对其尾迹几何结构进行了计算并与实验值进行了对比,结果显示二者符合得较好,证实了该模型具有较高的准确性。     

旋翼桨尖涡模型及其在自由尾迹分析中的影响

 建立了一个旋翼桨尖涡初始涡核半径计算模型,用于消除旋翼自由尾迹分析中桨尖涡涡核半径依靠经验设定的现状。该方法利用涡量和涡矩守恒关系,考虑旋转效应的影响,并修正Vatistas涡量分布函数,得到了一个关于桨尖涡初始涡核半径与桨叶附着环量分布之间的非线性关系。将新建立的初始涡核模型同先前建立的涡核扩散与拉伸模型以微分方程初值问题的形式组成一个完整的桨尖涡模型,并将其应用于自由尾迹分析方法中,分别对两副模型旋翼的悬停尾迹进行分析。计算得到的桨尖涡初始涡核半径和展向位置与实验测量值的对比表明本文模型具有较高的准确性。此外,讨论了涡核湍流动量扩散效应在自由尾迹分析中的影响,分析表明该效应对自由尾迹分析的收敛性有重要影响。     

计入畸变修正的旋翼尾迹前飞状态稳定性分析

现有的旋翼尾迹稳定性分析方法在涡线过近处会得出不现实的过大发散率结果,因而存在一定的局限性。为了消除这种前飞状态下尾迹高度畸变对其稳定性分析所造成的不合理干扰,提出了一个旋翼尾迹在正弦扰动下,结合涡线畸变修正的线性化稳定性分析方法。在该方法中,将尾迹涡线离散为一系列涡元,并对其端点施加沿尾迹涡线分布的正弦扰动;考虑了桨尖涡的自诱导、互诱导以及与桨叶的干扰作用,并创新地引入在伪涡核对稳定性分析中,因尾迹高度畸变产生的不合理干扰而进行的修正。以H-34型直升机旋翼模型为例,在前飞状态下,重点计算分析了尾迹向后飘移、涡核大小和前飞速度等对旋翼尾迹稳定性的影响。研究结果表明:引入伪涡核模型可以有效地修正在涡线过近处所产生的不现实稳定性分析结果;前飞速度、涡核大小等因素会在一定条件下有限地影响尾迹的不稳定性,但都不改变前飞状态旋翼尾迹的本质不稳定性。     

用于旋翼气动特性计算的一种时间推进自由涡新方法

建立了一个新的用于旋翼尾迹和诱导速度分析的时间推进自由涡计算方法.在该方法中,推导了一个新的二步二阶预测-校正差分算法--"D2PC"算法,并对采用该算法离散表示的涡线主控方程进行修正,以提高尾迹的求解精度;基于Vatistas公式给出涡核模型,并考虑了实际的耗散影响;采用更适合于旋翼气动特性计算的简化升力面桨叶气动模型;同时在自由涡方法中结合了挥舞动力学模型和旋翼配平模型.通过计算的旋翼尾迹几何形状和下洗速度与实验值的对比,验证了本文建立的自由涡方法的有效性.然后利用该方法,计算和分析了在悬停和前飞状态旋翼的尾迹几何形状和下洗诱导速度.     

共轴刚性旋翼悬停状态地面效应气动特性

为了研究地面效应下共轴刚性旋翼的气动特性，建立了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的气动干扰数值方法，采用运动嵌套网格模拟双旋翼的反转运动。地面采用无滑移边界条件，并对旋翼和地面附近的网格进行加密，以更好地捕捉旋翼的流场细节和尾迹特征。计算结果与Lynx尾桨试验结果进行对比，验证了所建立方法的有效性。对地面效应下共轴刚性旋翼的气动性能和流场进行分析，结果发现：相对于单独的上下旋翼而言，共轴旋翼地面效应下的拉力增益更大，这是由于上下旋翼桨叶表面的压强干扰受地面高压的影响而减弱；地面的干扰主要影响双旋翼尾迹的径向位置，对其轴向位置影响不大，上下旋翼尾迹在地面附近相互融合、分裂，形成复杂的桨尖涡尾迹；双旋翼在地效下的尾迹径向扩张半径比单旋翼大，这是由于双旋翼的径向射流速度更大；随着旋翼距地面高度的增加，双旋翼间的气动干扰强度逐渐恢复，因此下旋翼拉力增益的下降速度比上旋翼更大；共轴旋翼桨尖涡相对卷起高度和扩张半径均随离地高度增加而减小。     

预测悬停旋翼跨音速流动的一种组合自由尾流/CFD方法

一种新的组合自由尾流 / CFD方法用于悬停旋翼流动的 CFD解中以考虑实际尾流的作用 .用文中描述的尾流分析方法研究了螺旋尖涡的运动 .首先从广义尾流模型开始 ,用半经验公式模化了涡核对旋翼尾流的作用 ;然后在环量收敛和尾迹收敛的条件下完成了自由尾迹计算 ;最后应用 Jameson有限体积龙格 -库塔推进格式求解了欧拉方程 .所得结果与相关文献和实验数据进行了比较     

倾转状态的旋翼尾迹形状和挥舞响应分析

本文推导了旋翼在倾转时的桨叶挥舞运动方程,给出了桨叶升力面模型和尾迹时间推进预测—校正算法,并结合涡核模型和旋翼配平分析模型,建立了一个时间推进旋翼自由涡计算方法。通过计算的旋翼诱导速度与实验值的对比,验证了本文方法的有效性。然后利用该方法,计算了旋翼在倾转时的尾迹几何形状畸变和桨叶挥舞响应特性。