直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

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。     

旋翼近水面悬停状态气动特性分析

针对直升机在近水面区域飞行时的旋翼气动特性问题，基于RANS方程，结合流体体积(VOF)方法开展了旋翼水面效应流场的模拟分析研究。为提高水/气交界面的旋翼桨尖涡的捕捉精度，在背景网格区域采用了自适应网格方法，并通过与Caradonna-Tung旋翼试验结果的对比，验证了所提方法的可靠性。随后，基于该方法模拟了旋翼在地面、静水面、小幅波浪水面和大幅波浪水面4种工况下的地面/水面效应流场，对不同状态下的旋翼气动特性及水面干扰机理进行了细致讨论。结果表明：地面效应及水面效应下，旋翼桨尖涡更早向外扩散且桨叶中段的表面压强增幅比桨尖处更大，水面效应的强度要弱于地面效应；而波幅更高的波浪所引发的附着涡更容易改变桨尖涡的发展轨迹，增加桨尖涡的不对称性。     

基于非定常面元/黏性涡粒子混合法的旋翼/平尾非定常气动干扰

旋翼/平尾非定常气动干扰是导致直升机纵向“抬头（Pitch-up）”现象的主要原因。为在直升机设计阶段准确分析旋翼/平尾非定常气动干扰以及由此引起的低速纵向操纵特性变化,通过涡量等效原则和Neumann物面边界条件建立了适用于旋翼/平尾气动干扰分析的非定常面元/黏性涡粒子混合法。该方法耦合了考虑尾迹时变效应的非定常面元法、黏性涡粒子法及涡量镜面法,以准确模拟旋翼和平尾的非定常气动载荷、旋翼尾迹的非定常特性以及旋翼尾迹对平尾的气动干扰效应。首先通过计算NASA ROBIN（Rotor Body Interaction）旋翼尾迹几何和诱导速度分布,并与实验测量值、时间精确自由尾迹及CFD计算结果对比验证方法的准确性。相比于时间精确自由尾迹,本文方法计算精度更高。随后分析了旋翼/平尾非定常气动干扰对平尾向下气动载荷和气动导数的影响,并分析了平尾构型对旋翼/平尾非定常气动干扰的影响规律。分析表明：旋翼尾迹与平尾干扰导致低速状态的平尾载荷突增,气动导数反号;低平尾气动载荷突增较大,高平尾较小,但高速气动导数反号;前置平尾载荷突增量减小,但对应速度范围较宽;右旋直升机右平尾载荷突增量较小,但气动导数特性基本不变。     

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.     

基于非结构嵌套网格方法的旋翼地面效应数值模拟

 建立了一个基于非结构嵌套网格的流场求解器,用来精确模拟复杂的旋翼近地流场,为更好地分析地面效应(IGE)对旋翼气动特性的影响提供一套计算方法。在该求解器中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常N-S方程,空间方向上采用二阶迎风格式,并用背景网格的一个面模拟地面作用,以方便地面边界条件的处理。应用所建立的模型,首先针对有实验结果可供对比的旋翼无地面效应（OGE）流场进行了数值模拟,以验证计算方法。然后着重计算了IGE下流场中的桨尖涡空间位置和旋翼拉力增益,并对旋翼在小速度前飞状态下的近地流场及地面涡形成过程进行了模拟和分析。在此基础上,得出了一些有意义的结论。     

旋翼VPM/CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用

为了提高旋翼计算流体力学（CFD）流场计算效率及克服其在尾迹捕捉上的不足,将旋翼黏性涡粒子方法（VPM）与CFD分析相结合,建立了一个新的旋翼VPM/CFD耦合气动分析模型。在该模型中,采用VPM分析以实现对旋翼尾迹中黏性涡的高效捕捉而不引入数值耗散,而采用CFD分析用于精确地模拟旋翼桨叶近体区域内复杂的流动现象,同时也为VPM分析提供一个较高精度的涡源模型。至于两者信息交换,则使用集中涡源法将CFD信息传递至VPM分析,而VPM计算得到的尾迹信息则通过边界修正施加至CFD域的远场边界上,从而可以鲁棒地实现CFD域与VPM域的耦合计算。在此基础上,对“Helishape 7A旋翼”小前进比前飞桨-涡干扰（BVI）状态进行了较为深入的气动分析,计算结果表明：与全CFD计算比较,建立的VPM/CFD耦合分析模型可以有效地避免旋翼尾迹区桨尖涡的数值耗散,从而更加可靠地捕捉桨-涡干扰状态下的桨叶非定常气动载荷脉动,同时对于本文算例,计算效率可以提高30%以上。     

共轴式双旋翼悬停流场和气动力的CFD计算

考虑到共轴式双旋翼流场特征高度复杂、桨叶承受非定常气动载荷的特点,为更好地预测共轴式双旋翼的气动特性,把非结构嵌套网格方法和网格的自适应技术相结合,发展了一套适合于共轴式双旋翼流场数值计算的求解器.在该求解器中,采用非结构嵌套网格方案来模拟桨叶之间存在的相对运动,自适应网格技术用来捕捉尾迹对流场和气动特性的影响,求解惯性坐标系下的非定常N-S主控方程来模拟流场的非定常特性.应用该求解器,首先计算了有试验结果可供对比的一副试验旋翼的诱导速度场分布,在此基础上,计算了共轴式双旋翼的桨尖涡轨迹和拉力分布特性,并与单旋翼的计算结果进行了对比和分析,得到了一些有意义的结论.     

基于混合CFD方法的旋翼桨-涡干扰噪声计算

建立了一个基于Euler方程和自由尾迹分析的新的、高效的混合计算方法,用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动和噪声特性的研究.在该方法中,仅针对单片桨叶进行计算,通过求解Euler方程来捕捉流场中旋翼近尾迹的影响以及桨叶表面的非定常载荷,流场空间中旋翼远尾迹的位置由自由尾迹模型给出;提出了广义网格速度方法以将旋翼远尾迹的影响...     

悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理

基于运动嵌套网格方法,建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼非定常干扰流场分析的计算流体力学(CFD)方法。首先,基于高效的运动嵌套网格技术,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型,时间推进采用双时间方法。在CFD方法的验证基础之上,对干扰过程中的桨尖涡涡核位置及强度演变规律进行了细致分析,揭示了共轴双旋翼非定常干扰流场中上、下旋翼桨尖涡与双旋翼桨叶之间的贴近干扰、碰撞现象,以及上、下旋翼桨尖涡之间的相互干扰机理。然后,进一步研究了不同总距角下的共轴旋翼系统中上、下旋翼的非定常气动特性以及影响规律。计算结果表明:上旋翼桨叶的桨尖涡会直接与下旋翼桨叶发生碰撞,导致下旋翼桨叶拉力损失;上旋翼桨叶的桨尖涡和下旋翼桨叶的桨尖涡相互干扰,改变了桨尖涡的强度和轨迹;上、下旋翼桨叶相互靠近时,上、下旋翼桨叶的拉力均会上升,之后相互远离时上、下旋翼桨叶拉力均会先下降再上升。     

Panel/full-span free-wake coupled method for unsteady aerodynamics of helicopter rotor blade

A full-span free-wake method is coupled with an unsteady panel method to accurately predict the unsteady aerodynamics of helicopter rotor blades in hover and forward flight. The unsteady potential-based panel method is used to consider aerodynamics of finite thickness multi-bladed rotors, and the full-span free-wake method is applied to simulating dynamics of rotor wake. These methods are tightly coupled through trailing-edge Kutta condition and by converting doublet-wake panels to full-span vortex filaments. A velocity-field integration technique is also adopted to overcome singularity problem during the interaction between the rotor wake and blades. Helicopter rotors including Caradonna-Tung, UH-60A, and AH-1G rotors, are simulated in hover and forward flight to validate the accuracy of this approach. The predicted aerodynamic loads of rotor blades agree well with available measured data and computational fluid dynamics (CFD) results, and the unsteady dynamics of rotor wake is also well simulated. Compared to CFD, the present method obtains accurate results more efficiently and is suitable to rotorcraft aeroelastic analysis.     

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。     

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.      

直升机旋翼对机身气动干扰的计算

基于旋翼自由尾迹模型和三维机身源面元模型，建立了一个全耦合的旋翼／机身气动干扰迭代计算方法。为正确模拟旋翼桨尖涡与机身表面间的大定常贴近干扰，采用了一个“分析数值匹配法”的“贴近涡／面干扰模型”。应用该计算方法，分别计算了旋翼干扰状态下的机身表面点的非定常压强分布和机身的非定常气动升力，俯仰力矩随前进比的变化，以及干扰前后的机身定常压强分布。计算表明，机身上由于旋翼的干扰引起的非定常气动载荷呈现出与旋翼相同的周期性。然后，对比了本“贴近涡面干扰模型”和先前“截断涡线模型”对干扰计算的影响，表明了前对计算结果的重要改进。     

地面效应中前飞旋翼的自由尾迹计算

发展了一种自由尾迹模型,用于对地面效应状态下的旋翼前飞流场进行数值模拟,并求解该状态下的旋翼气动特性.为了扩大模型的适用范围,使用了面元法模拟地面对流场的影响.为提高尾迹迭代的收敛性和精度,在计算模型中引入了地下尾迹等比例修正、环式地面面元分布等改进措施.结果显示:前进比增加,地面附近的旋翼流场由环流模式转变为地面涡模式.在前飞速度很小时出现的环流,对旋翼前缘的轴向下洗速度影响十分强烈,导致此时出现随前进比增加,旋翼拉力减小、需用功率几乎不变的特殊现象.将得到的旋翼气动特性参数随前进比变化情况同实验值进行了对比,证实了新构建模型的准确性.      

跨声速压气机中动叶弯和掠对尾迹输运的影响

对一单级跨声速压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对动叶尾迹的非定常脉动强度以及向下游输运特性的影响.研究结果表明:与原型动叶相比,3种弯、掠动叶都减弱了动叶出口的泄漏涡和尾迹顶部脉动核心的脉动强度,使其在向下游输运过程中耗散较快;3种弯、掠动叶尾迹的中间段的脉动强度都有所加强,并且在输运过程中有向根部迁移的趋势,从而会使静叶的中部和根部受到较强的扰动.      

基于黏性涡模型的旋翼流场数值方法

 建立了一种适用于旋翼非定常流场特性分析的黏性涡数值方法。在该方法中:流场中的大尺度涡被离散为若干微小的涡元,通过求解涡量-速度形式的Navier-Stokes方程模拟涡元的输运等过程;黏性扩散效应采用高精度的粒子强度交换法进行计算,而桨叶附着涡以及新生涡环量采用了Weissinger-L升力面理论进行求解;为显著提高计算效率,在诱导速度及其梯度的计算中还引入了快速多极子算法(FMM)。应用上述方法,对悬停和前飞状态下的多个旋翼流场算例进行了计算,通过对比旋翼尾迹涡量特征和诱导速度分布等,验证了该方法的有效性。此外,还将本方法与旋翼计算流体力学(CFD)方法及传统的自由尾迹方法进行了比较,结果表明黏性涡方法在兼顾效率的同时,还能够更好地捕捉旋翼尾迹运动。