倾转旋翼典型飞行状态气动特性的CFD分析

针对倾转旋翼特有的悬停、巡航、过渡3种飞行模式,基于CFD方法分别对倾转旋翼的上述3种典型飞行状态进行了数值模拟.首先,基于运动嵌套网格思想建立了适合倾转旋翼运动模拟的多层运动嵌套网格系统.然后,基于RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)方程建立了适用于非定常流场分析的CFD模拟方法.为了提高整个流场的计算效率,时间推进采用高效的隐式LU-SGS(lower upper symmetric Gauss Seidel)方法,并运用SPMD(single program multiple data)并行计算模式.最后,采用所建立的网格生成方法和流场求解器,进行了不同飞行状态下的倾转旋翼气动特性数值分析,验证了建立CFD方法的有效性并得出了多种飞行状态下的气动特性.结果表明:悬停状态下倾转旋翼相对于直升机旋翼有更加明显的下洗流影响区域.巡航状态两旋翼中心间距为2.5R时,倾转旋翼之间存在明显的气动干扰.过渡状态下,倾转旋翼提供的拉力在倾转角为45°前下降较快,且在倾转角较小时,倾转旋翼桨叶表面拉力分布仍能表现出直升机旋翼的特性.      

悬停状态倾转旋翼/机翼干扰流场及气动力的CFD计算

基于一套高效通用的多层运动嵌套网格技术,建立了适合悬停状态倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰特性分析的高效混合计算流体力学（CFD）方法。在倾转旋翼/机翼贴体网格区采用可压雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程作为主控方程,过渡/背景网格区选用Euler方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型。时间推进上采用双时间推进格式进行非定常求解,并在方法中运用了SPMD（Single Program Multiple Data）模式的并行加速技术。在此基础上,首先分别采用UH-60A直升机旋翼及XV-15倾转旋翼机旋翼作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。然后着重对倾转旋翼/机翼的非定常干扰流场及气动力分布特征进行了数值研究,模拟得到与实际情况相符的“喷泉效应”干扰现象。计算结果表明,干扰作用使得倾转旋翼相对于孤立旋翼拉力数值减小了3%,但总的拉力系数损失达到了17%,证明悬停状态下气动干扰对飞行器气动性能有重要影响。     

倾转旋翼机多部件对机翼气动干扰的分析及优化

为研究倾转旋翼机各部件对机翼的气动干扰效应，建立了一套适用于倾转旋翼机流场CFD求解方法，提出并生成了一套由三棱柱/四面体组成的适用于倾转旋翼机多种飞行状态的非结构混合网格系统.以三维Navier-Stokes方程为主控方程，采用动量源方法进行倾转旋翼的模拟，并引入了高效的OpenMP并行加速技术等，提出了一套新型的动量源项添加及搜索方法.计算分析了倾转旋翼机旋翼/机身/短舱对于机翼气动特性的干扰影响，得出了一些对设计有指导意义的结论.采用基于径向基函数（RBF）的代理模型方法，根据机翼不同展向位置的干扰程度对各段翼型配置进行气动优化.优化结果表明:考虑气动干扰作用，在巡航速度下优化后的全机升阻比增长达到了36.78%.      

悬停状态倾转旋翼机非定常气动干扰研究

悬停状态旋翼/机翼机身干扰流场的高精度数值模拟对准确预估倾转旋翼飞行器气动性能具有十分重要的意义，开展该干扰流场的高精度数值模拟一直是直升机空气动力学领域的研究热点和难点之一。本文基于运动嵌套网格技术，建立一套适用于倾转旋翼非定常流场的CFD方法。采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为主控方程，湍流模型选用Spalart-Allmaras模型，时间推进上采用高效的隐式LU-SGS格式。在此基础上，首先开展某新型倾转旋翼无人机的旋翼/机翼机身非定常干扰流场数值模拟研究，得到了与文献相符的“喷泉效应”现象，计算结果显示干扰作用使总拉力损失16.6%。然后着重研究了不同襟副翼预置角对降低悬停状态下旋翼/机翼机身气动干扰作用的影响，研究结果显示45°襟副翼预置角效果最佳，使全机总拉力损失从原来的16.6%降到13.8%。     

倾转旋翼机过渡状态飞行速度对气动性能的影响

针对倾转半机翼类型的倾转旋翼机，采用计算流体力学方法建立过渡状态的数值计算模型，用于其气动特性计算与分析，研究前飞速度对倾转旋翼机过渡状态气动性能的影响。首先，基于动量源方法建立旋翼气动分析模型，对孤立旋翼进行动压分布计算并与试验结果进行对比，验证建立的动量源方法的有效性；然后，建立全机的气动干扰数值计算模型，对机身采用非结构化网格进行划分；最后，分析过渡状态主要部件竖直方向力及倾转段机翼气动性能随前飞速度的变化规律。结果表明：随倾转角增大，倾转段机翼的升阻比减小明显；在小倾转角度下，虽然倾转段机翼发生了失速，但由于其迎风面积增大且在升力方向上具有一定的投影面积，其升力不会迅速减小。     

倾转旋翼机连续倾转过渡状态数值模拟

倾转旋翼机在倾转过渡过程中气动构型不断变化,气动特性具有强非线性的特点。针对倾转旋翼机复杂的连续倾转过渡状态,基于运动嵌套网格和局部坐标系理论建立一套适合于模拟倾转旋翼机连续倾转过渡状态的网格系统,并采用 RANS 方程建立适合于强非线性气动特性的非定常流场分析的 CFD 方法;采用该方法模拟某型倾转旋翼机从直升机模式到固定翼模式的连续倾转过渡状态的气动特性。结果表明：对于不同的倾转过渡时间,旋翼和机体气动特性随旋翼倾转角增加变化趋势基本一致;随着旋翼倾转角增加,机体升力系数先增大后减小,在旋翼倾转角 40°附近达到最大,相比初始状态及平飞状态增大约 30%;随着旋翼倾转角、总距角及前飞速度线性增大,旋翼拉力系数及其垂向分量逐渐减小;旋翼倾转角和前飞速度线性增大,采用合适的总距角非线性变化曲线,倾转旋翼机总升力可以保持在目标值附近。     

舰载倾转旋翼机着舰流场及气动干扰特性数值计算研究

针对舰载倾转旋翼机甲板着舰时的气动干扰问题，开展了着舰流场及气动干扰特性数值计算研究。首先，采用CFD技术建立了基于滑移网格方法的舰船与倾转旋翼计算模型，并通过试飞及风洞试验结果对比，验证了计算方法的合理性。然后，进行了倾转旋翼机流场及舰机复合流场数值计算，研究了风向及气流速度对倾转旋翼机着舰气动干扰特性的影响规律。结果表明：来流风速越大，气流经机库陡壁下冲速度越高，导致旋翼有效迎角减小，旋翼拉力减小；全机滚转力矩受侧向气流干扰左侧升力增大时，引起向右的滚转力矩；全机俯仰力矩受气流偏角的影响，气流从前方流动产生抬头力矩，气流从后方流动产生低头力矩。     

倾转旋翼机气动设计技术

针对倾转旋翼机气动技术进行了研究,包括过渡状态旋翼动态尾迹和非定常气动特性研究、过渡状态旋翼/机翼气动干扰特性研究以及倾转旋翼机模型风洞试验。建立了过渡状态旋翼动态尾迹和非定常气动特性以及旋翼/机翼气动干扰特性的理论分析方法,通过对比公开发表的试验数据和本研究获得的风洞试验结果验证了方法的有效性。     

小型无人倾转旋翼机气动与操纵特性试验研究

由于倾转旋翼机飞行模式多,各部件气动干扰复杂且操纵面冗余,特别是倾转过渡模式,短舱带动旋翼系统倾转,结构布局发生改变,从理论上确定气动与操纵特性难度大。为了研究倾转旋翼机的气动与操纵特性,对某小型无人倾转旋翼机展开全尺寸、全模式吹风试验,其中不带动力试验主要用于研究倾转旋翼机在不同迎角、短舱倾角、前飞速度等飞行状态下的气动特性;带动力试验主要用于研究倾转旋翼机不同飞行模式带机翼与不带机翼时,旋翼/机翼/襟副翼相互干扰作用,以及总距、副翼、升降舵的操纵功效。根据试验数据推导出小型无人倾转旋翼机全包线飞行的操纵特性方法,对进一步完善倾转旋翼机设计以及试飞试验的成功提供了参考。     

倾转机翼无人倾转旋翼机飞行动力学稳定性分析

为了研究倾转机翼无人倾转旋翼机的稳定性,发展了一种倾转机翼无人倾转旋翼机飞行力学模型,并开展了仿真研究。旋翼气动模型采用动量-叶素理论,机翼、尾翼和机身的气动模型在升力线气动理论的基础上结合了旋翼动量源方法以计入旋翼尾流的气动干扰影响。在全机飞行力学模型配平的基础上开展了动力学稳定性分析,并与常规倾转旋翼机飞行动力学特性进行了对比分析。研究结果表明:倾转机翼无人倾转旋翼机在悬停状态下,表现出俯仰角衰减迅速的稳定模态;在直升机模式小速度前飞时,改变重心位置及机翼倾转段面积可使机体纵向振荡模态发散速度减缓,系统稳定性增强。     

非定常预处理方法在倾转旋翼飞行器悬停状态气动干扰模拟中的应用

针对倾转旋翼飞行器的多种速度尺度并存的复杂流动问题，发展了能够统一求解同时包含不可压缩流动和可压缩流动的非定常预处理方法和一种考虑了流场物理信息传播方向的预处理远场边界条件。结合适用于倾转旋翼飞行器的复杂外形及大位移问题的非结构混合网格技术和重叠插值技术，建立了倾转旋翼飞行器的数值模拟方法。在此基础上，首先通过悬停算例验证了数值方法的有效性，确定了选择预处理截断参数的原则。然后探究了倾转旋翼飞行器直升机模式悬停状态的尾迹涡结构演化过程，研究了“喷泉效应”和“地面效应”对倾转旋翼气动性能的影响。计算结果表明，旋翼尾迹涡的耗散在不同方位角存在较大差异。“地面效应”抑制了旋翼尾迹的发展，提高了旋翼整个方位角区域的升力系数，而不仅限于机翼上方方位角区域。 “地面效应”作用强于“喷泉效应”作用，使旋翼相对于孤立旋翼拉力系数略微增大了5.26%，但同时整个倾转旋翼飞行器的总的向上的力只有孤立旋翼拉力的82.46%。结论表明预处理方法和预处理远场边界条件能够较好地模拟倾转旋翼飞行器悬停状态的干扰流场，兼顾了数值计算的耗散性和稳定性。气动干扰对倾转旋翼飞行器整体气动性能有重大影响。      

复杂积冰翼型气动性能分析

为了克服复杂外形难以划分结构化网格的问题, 采用结构/非结构混合多块网格对复杂积冰翼型的气动性能-进行了分析计算.在靠近积冰边界的内层采用了非结构网格, 在非结构网格外采用结构化网格以节省存储空间和计算时间.不同类型网格之间采用了点点对接的方式以简化通量重构的处理方式.整个流动区域采用SST湍流模型, 求解了雷诺平均N-S方程.数值计算结果表明结构/非结构混合多块网格在复杂积冰翼型气动性能计算上的可行性, 积冰对翼型的气动性能造成了严重的影响.      

直升机旋翼机身发动机耦合流场数值模拟

运用计算流体力学(CFD)数值工具研究旋翼机身发动机空气动力干扰.通过生成多块贴体网格,运用有限体积方法直接求解了不可压N-S方程.分析了某直升机低速前飞时的流场性质.首先对孤立机身周围粘性流场进行数值模拟,然后运用作用盘模型分析了旋翼机身空气动力干扰对机身压力分布等方面的影响;最后运用简单的发动机模型分析了发动机进出口对直升机流场的影响.      

一种基于N—S方程的CFD／CSD耦合计算方法

对于气动弹性问题,在跨音速和大变形情况下,模态叠加法失效,为此需要探讨全场求解耦合方程的新方法。利用耦合计算流体动力学和计算结构动力学（CFD／CSD）方法,数值模拟了机翼的气弹响应问题。气动力的求解采用三维Navier—Stokes方程的有限体积法,实现了一种多块结构网格的动网格方法生成气动网格,采用有限元方法计算应...     

动力效应对民机起飞构型气动特性影响的数值研究

采用在点对点多块结构化网格系统上求解三维可压缩雷诺平均N-S（Navier-Stokes）方程的方法,研究了发动机动力效应对民机起飞构型气动特性的影响.首先,通过涡轮动力模拟器风洞试验模型及民机高升力构型标准模型,对研究方法进行了验证,计算和试验结果的良好吻合说明研究方法用于模拟发动机动力效应及预测民机高升力构型气动特性是可行的.其次,针对分别安装通气短舱和动力短舱的某翼吊涡扇发动机民机起飞构型,研究了发动机动力效应对其气动特性的影响规律.结果表明:在通气短舱基础上预测的起飞最大升力系数、失速迎角以及阻力和力矩,在考虑动力效应后会产生明显的不同.动力效应可使外形最大升力系数增大并延迟机翼失速,但同时也带来了低头力矩增大和升阻比降低的不利影响.建议在对机翼及其高升力装置设计结果的数值校核中使用考虑进排气的动力短舱代替目前常用的通气短舱,这能为设计改进提供更可靠的依据.      

Numerical study on flow fields and aerodynamics of tilt rotor aircraft in conversion mode based on embedded grid and actuator model

A method combining rotor actuator disk model and embedded grid technique is presented in this paper, aimed at predicting the flow fields and aerodynamic characteristics of tilt rotor aircraft in conversion mode more efficiently and effectively. In this method, rotor's influence is considered in terms of the momentum it impacts to the fluid around it; transformation matrixes among different coordinate systems are deduced to extend actuator method's utility to conversion mode flow fields' calculation. Meanwhile, an embedded grid system is designed, in which grids generated around fuselage and actuator disk are regarded as background grid and minor grid respectively, and a new method is presented for ‘donor searching' and ‘hole cutting' during grid assembling. Based on the above methods, flow fields of tilt rotor aircraft in conversion mode are simulated, with threedimensional Navier–Stokes equations discretized by a second-order upwind finite-volume scheme and an implicit lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LU-SGS) time-stepping scheme. Numerical results demonstrate that the proposed CFD method is very effective in simulating the conversion mode flow fields of tilt rotor aircraft.     

民机翼梢小翼气动特性数值模拟分析研究

针对某民机翼身组合体加装不同翼梢小翼——融合式翼梢小翼和翼尖涡扩散器进行对比分析。用软件ICEM生成原始翼身组合体及加装不同小翼的翼身组合体的点对点对接多块网格技术生成高质量的数值计算网格,运用Roe三阶迎风偏置通量差分裂方法和隐式近似因子分解方法求解雷诺平均N-S方程。对两种不同翼梢小翼在巡航点进行数值模拟,得到合理的翼稍小翼几何参数;对比升阻特性数据,两种翼梢小翼都可以提高升力系数,减少阻力系数。相对原始翼身组合体,融合式翼梢小翼升阻比增加9%,翼尖涡扩散器升阻比增加6%;但翼尖涡扩散器在力矩特性上有较大优势。所得结论对民用飞机翼稍小翼设计工作具有较大的工程应用价值。