应用PIV测量缩比共轴双旋翼流场特性的研究

采用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)技术对一缩比共轴双旋翼模型在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验。测量得到了旋翼流场的瞬时涡量的速度分布,桨尖涡的脱落轨迹,悬停时的尾迹边界和前飞时的尾迹边界等流场特性参数分布。研究了不同状态下共轴双旋翼流场的气动干扰特性。在悬停时,下旋翼的桨尖外侧有上洗流现象,而下旋翼则没有。与共轴双旋翼性能试验数据比较得出,在悬停时共轴双旋翼形式存在有利的相互气动干扰现象。实验还得出了悬停和不同前进比前飞时桨尖涡的脱落轨迹。     

利用三维激光测速方法研究悬停状态下的桨尖涡

利用三维多谱勒激光测速仪，对悬停状态下模型旋翼桨叶附近的流场进行了实验测量。研究了悬停状态下桨盘附近的流场特征、旋翼桨尖涡的形成和发展，以及桨尖涡对后续桨叶的影响     

旋翼悬停状态桨尖涡测量方法研究

为了研究旋翼桨尖涡涡核结构，采用粒子图像测速（PIV）技术对4m直径桨尖开孔旋翼在悬停状态的桨尖涡流场进行了详细测量，获得了旋翼145°方位角处桨尖涡附近流场的速度分布，以及桨尖涡的涡核半径、旋转速度和涡量分布等试验数据，并研究了PIV分析中选取不同审查窗尺寸对桨尖涡结构测量结果的影响。为了避免桨尖涡位置不稳定的影响，提出了基于桨尖涡流场速度特征的条件平均法，并与简单平均法和基于涡量峰值的条件平均法进行了对比，验证了对桨尖涡流场进行条件平均的必要性，以及所提出的条件平均法的有效性。     

悬停旋翼桨尖涡吹气控制的数值模拟

开槽桨尖是减弱旋翼桨尖涡强度的一种被动流动控制手段。旋翼桨尖涡由于涡量高度集中在一个很小的区域范围内，数值计算容易受到网格分布和数值耗散的影响，导致涡量耗散过快，不利于对旋翼尾迹涡开展研究。针对这一问题，文中采用重叠网格局部加密和湍流模型旋转修正等方法，获得了悬停旋翼的高分辨率桨尖涡流场。采用该方法，对比研究Caradonna-Tung旋翼基本外形和开槽桨尖外形在悬停状态下的空间旋涡流场，从涡量分布、旋涡特征速度等方面研究了开槽桨尖控制桨尖涡强度的流动机理，比较了4种不同开槽方式对控制效果的影响，以及对旋翼悬停性能的影响。结果表明，开槽桨尖能够有效减弱桨尖涡的强度，但同时会对旋翼拉力和扭矩产生一定的负面影响。     

桨叶外形对共轴刚性旋翼悬停性能影响的CFD分析

桨叶外形是影响共轴刚性双旋翼直升机悬停性能的主要因素之一,研究其影响机理对提高共轴刚性旋翼的悬停性能具有重要意义。为了提高外形参数对旋翼气动特性影响的分析精度,首先,基于运动嵌套网格技术和可压RANS方程,建立了一套适用于共轴刚性双旋翼悬停流场模拟的CFD方法;然后,进行了悬停状态共轴旋翼流场气动特性的计算分析,得到上、下旋翼拉力和扭矩沿桨叶展向和周向的分布特征;最后,着重进行了桨叶平面外形参数对共轴刚性旋翼悬停性能影响的分析,包括后掠角、后掠起始位置及尖削非线性弦长分布等,得到不同参数下共轴刚性旋翼悬停效率和压强分布等特征。结果表明,桨尖后掠能够使负压中心外移,延缓气流分离,从而提高悬停效率;尖削及桨叶面积集中在中部段的非线性弦长分布能够有效对桨尖进行卸载,优化气动载荷分布,从而改善悬停性能。     

共轴刚性旋翼流场测量试验研究

利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)试验技术,开展了共轴刚性旋翼桨尖涡尾迹以及桨叶周围流场的测量试验,获得了单/双旋翼桨尖涡的运动轨迹以及桨尖诱导速度分布,研究了旋翼前进比对尾迹边界倾斜角的影响规律,进行了大前进比下强径向流对桨叶周围流场的影响机理研究。结果表明:强径向流具有增强气流附着性、减缓气流分离以及延迟失速的特性,前进比μ=0.64比μ=0.53后缘分离点延迟了约18%;后行侧反流区前进比越大反流强度越强;悬停状态双/上旋翼涡收缩性最快,单旋翼尾迹涡收缩性次之,下旋翼尾迹涡收缩性最慢。测量结果合理可信,为开展旋翼流动机理理论研究及提高CFD分析精度奠定了基础。     

悬停状态旋翼非定常尾迹测量

用热线风速仪测量悬停状态旋翼尾迹的轴向、切向速度分量的时均值和瞬时值沿展向的分布及桨尖涡在轴剖面里的运动轨迹，得到了悬停状态旋翼尾迹的几何边值、桨尖涡在运动过程中的耗散和不稳定等非定常特性，研究了旋翼桨距、桨叶片数对悬停状态旋翼尾迹和桨尖涡运动轨迹的影响。结果表明：悬停状态旋翼尾迹轴向速度在其展向的最大值可达或超过动量理论值的两倍；而桨尖涡区域的瞬态值则高达动量理论值的１０倍。旋翼桨距、桨叶片数的     

带先进桨尖的模型旋翼悬停噪声计算与试验

为进行旋翼噪声水平对比，在全消声室开展了3副不同下反角桨尖模型旋翼噪声试验研究，完成了悬停状态下不同总距和不同观测点上的噪声测量试验，获得了多组噪声数据。数值计算方面，以RANS方程为主控方程求解旋翼流场气动信息，在获取精确声源信息的基础上，基于FW-H方程进行噪声计算和分析。在相同的状态下，计算结果与试验结果显示出较好的一致性，表明了本文数值方法的准确性。最后，根据试验结果，对比分析了不同下反角桨尖对旋翼气动 噪声特性的影响规律。     

共轴刚性旋翼悬停流场的PIV风洞试验研究

使用粒子图像测速(Particle image velocity,PIV)技术对2 m直径共轴刚性旋翼悬停流场进行了风洞试验研究。在所搭建的共轴刚性旋翼试验台上,对1 100 r/min和1 860 r/min两种转速,8°和10°两种总距下的共轴刚性旋翼流场进行了测量,并测量了单独上旋翼相同状态下的流场。通过对试验数据进行处理,得到了不同状态下桨尖涡的脱落轨迹以及流场速度矢量图。同时通过对比分析,研究了共轴刚性旋翼之间的气动干扰现象,并指出了上旋翼桨尖涡尾迹通过下旋翼桨盘时的"二次收缩"效应。     

悬停旋翼桨尖涡的试验研究

为了详细研究悬停旋翼桨尖涡的形成与发展过程,以及旋翼状态参数与桨尖涡及其尾迹的关系,开展了桨尖涡及其尾迹的测量和研究.在研究中采用了Ф2m旋翼模型试验台、单桨叶(翼型为NACA 0015)旋翼模型和二维PIV测量系统,通过改变转速和总距角的状态组合,对桨尖周围及近尾迹局部区域进行了详细的桨尖涡流场测量.通过研究,基本掌握了用PIV测量旋翼动态流场的技术;利用PIV成功地获取了从桨尖前缘至后缘下游近流场的不同方位角截面粒子流动图像;通过后处理获得了合理有效的结果.测量结果表明,桨尖涡在桨叶表面形成的过程中,其强度逐渐增强;桨尖涡的强度与旋翼的桨尖马赫数和总距等密切相关.     

共轴双旋翼悬停地面效应气动特性分析

基于时间步进算法建立了适用于共轴双旋翼气动特性分析的旋翼自由尾迹模型,并采用面元法对水平和倾斜地面效应影响下共轴双旋翼系统气动特性进行了研究。在建模的过程中,采用Weissinger-L一阶升力面模型模拟了桨叶的三维效应,并充分考虑了旋翼/旋翼和旋翼/地面之间的气动干扰。通过与尾迹几何和诱导速度试验数据的对比,验证了计算模型的可行性。在此基础上,对共轴双旋翼在地面效应影响下的旋翼尾迹几何形状、流场诱导速度矢量分布和上下两旋翼桨叶的拉力系数分布进行了计算及分析。结果表明,悬停状态下,共轴双旋翼上下旋翼间存在强烈的气动干扰,且地面的影响使旋翼尾迹涡线径向扩展且向上卷起,对共轴双旋翼下旋翼拉力产生明显的影响。     

基于嵌套网格和计入尾迹影响的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型。为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响,采用了由动量理论导出的远场边界条件和由尾迹诱导速度代入滑移条件而构造的新翼面边界条件。为减少尾迹数值耗散和便于添加上述边界条件,采用了嵌套网格方法。针对嵌套网格中关键的贡献单元搜寻问题,本文采用一种伪贡献单元搜寻法。应用上述方法进行了算例计算,给出了有无尾迹修正时的旋翼桨叶表面压力分布和沿展向升力分布的计算结果,并与可得到的实验数据进行了对比。此外,从计算的等涡量线图上分析了旋翼尾迹流场畸变的发展趋势,表明了Euler方程法在旋翼涡尾迹捕捉方面的能力。     

适用于直升机俯仰与滚转机动分析的广义动态尾迹模型

现有的直升机操纵响应计算方法,给出的他轴耦合响应往往与飞行实测结果符号相反,这是由于仿真模型未计入机动时的尾迹弯曲。本文建立了尾迹弯曲的模型,推导出角速率与一次谐波入流分量之间的关系,据此对旋翼的广义动态入流模型进行了增广和修正;以某机型为算例,分析了直升机俯仰或滚转运动对他轴耦合响应的影响。本增广模型为通用模型,适用于任意机型,无需依赖特定机型的经验公式,即可正确计算直升机的他轴响应。     

圆柱尾涡/边界层相互作用中二次涡特性研究

应用流动显示的方法研究水槽中上游圆柱绕流尾涡与平板边界层的相互作用,发现边界层外的尾涡可以诱导边界层内流体产生新的二次涡结构,对二次涡的产生条件、形成机理和演化规律进行了探讨.结果表明:尾涡/二次涡的相互作用是尾涡与边界层相互作用的核心,尾涡涡脱落St数的变化、尾涡反弹现象、边界层内二次涡的产生和尾涡/二次涡相互作用的不同形态等均与无量纲参数yc/D有关(yc为圆柱距离平板的法向位置,D为圆柱直径),并可以此参数对尾涡/边界层相互作用的特性进行分区.     

直升机机身对旋翼气动干扰的计算

建立了一个全耦合的机身对旋翼气动干扰的迭代计算方法。在该方法中，使用自由涡系模型代表旋翼对干扰流场的影响，使用三维面元模型替代机身的作用，并采用了一个基于“分析数值解匹配”方法的贴近涡／面干扰模型以改进机身引起尾迹畸变的计算。应用该分析方法，以Maryland大学4片桨叶的模型旋翼和机身为算例，计算了悬停和前飞状态机身对旋翼的气动干扰影响。计算结果表明，机身对旋翼气动干扰在悬停和前飞时是不同的，且从悬停至前飞，机身对旋翼平面某方位的诱导速度存在一个从上洗至下洗的过渡。     

尖部喷气驱动旋转机翼地面试验装置的研制

为研究新概念旋转机翼飞机飞行动力学特性,掌握其直升机模式飞行时的气动特性,研制了一种尖部喷气驱动旋转机翼地面试验装置.介绍了该试验装置的组成、各组成部分的设计及为保证试验装置运行安全性而采取的一些措施.该装置采用高压气源作为旋转机翼的驱动动力,解决了旋转机翼的旋转、挥舞及偏转过程中的通气密封问题,通过测控系统进行试验数据的采集,操纵旋转机翼的总矩及周期变矩.     

基于时间解析PIV的串列水力转轮尾流特性研究

为研究串列水力转轮组合的下游转轮对上游转轮尾流的影响，采用时间解析PIV系统对2个垂直轴Bach水力转轮之间的流动进行测量。在不同来流速度条件下，研究下游转轮的安放角对上游水力转轮尾流的影响，对比分析受到水力转轮边界影响的尾流特征。研究结果表明:来流速度增大时，速度恢复区向上游转轮延伸，当下游转轮安放角小于108°时，该区域的速度随安放角增大而减小；当下游转轮安放角大于108°时，速度变化趋势相反。尾流中的旋涡涡心位置随安放角不同上下偏移，在部分安放角下，旋涡被拉伸变得扁平，流线也因此呈现出与无下游转轮时不同的非水平偏转状态；高能涡量区域在部分安放角和来流速度增大时，逐渐向下游和尾流中心发展，流场中离散的小尺度涡不断增加；尾流中的大尺度涡结构包含于前3阶的POD模态中，而高阶POD模态主要表征小尺度的流动结构。     

基于广义动态尾迹倾转旋翼飞行器数学建模

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,采用广义动态尾迹理论建立旋翼的诱导速度模型,进而建立了旋翼气动力计算模型;考虑旋翼尾流对机翼的影响,建立了机翼气动力模型;考虑旋翼和机翼对其他升力面的气动干扰,建立相应的气动力计算模型;最后以XV 15倾转旋翼飞行器为例,对建立的模型进行验证。仿真结果表明：建立的飞行动力学模型可以很好地反映飞行器的物理特性,适用于倾转飞行器的飞行动力学研究。     

旋翼尾迹涡系的等环量线处理技术及其在前飞固定涡系中的应用

本文论述等环量线尾迹描述方法,并介绍旋翼尾迹涡系的等环量线处理技术,及其在固定涡系下的实施导致的一种求解前飞旋翼气动载荷、流场与性能的方法。对H34机三种情况计算表明了对经典尾迹结果的改进,并证明尾迹结构精细化对新一代尾迹分析方法是必不可少的。