翼型对旋翼悬停气动性能影响的CFD模拟分析

建立了一个基于高精度离散格式的旋翼悬停气动性能的N-S方程求解方法,用来精确分析翼型对旋翼气动特性的影响。为考虑细节流动对旋翼气动特性的影响,采用N-S方程描述桨叶附近的粘性流场,选用了S-A湍流模型。通量计算采用Roe-MUSCL格式的高精度算法。采用该方法首先模拟了C-T旋翼和BO-105旋翼,验证了该方法的有效性。然后,给出了一个参考旋翼,改变其旋翼翼型配置,数值模拟研究了旋翼翼型不同厚度、弯度及其变化位置、组合情况等对旋翼悬停气动特性的影响。通过对比旋翼悬停效率、桨叶升力与扭矩变化等多种计算结果,表明翼型对旋翼悬停气动性能有重要影响,并得出了一些提高旋翼气动性能的桨叶翼型设计方法。     

悬停旋翼的自由尾迹计算

在随桨叶旋转的坐标系中,建立了悬停旋翼自由尾迹计算的迭代方法和模型。文中以两种不同的模型旋翼为例算,对叶尖涡的轴向和径向位置进行了计算,并与已有的试验结果进行了对比。检验了模型的可靠性,运用上述自由尾迹模型,分别研究了不同叶尖马赫数,桨距角和桨叶片数对悬停尾迹形状的变化,表明了旋翼参数对自由尾迹形状的影响。最后,文末给出了一些结论。     

共轴刚性旋翼气动干扰数值计算方法

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)描述的可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解流场,采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平,引入"差量修正"策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先,对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算,然后,对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算,并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内,扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度,可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。     

快速多极展开算法在自由尾迹分析中的应用

针对旋翼自由尾迹分析的计算效率问题,对快速多极展开算法(Fast multipole method,FMM)在基于直线涡元的尾迹互诱导速度计算中的应用开展了研究。分别构建了悬停和前飞状态下诱导速度多极展开计算的定义域;在进行远场诱导速度计算时,将直线涡元等效为涡粒,推导了诱导速度的多极展开表达式。通过对悬停和前飞状态下旋翼尾迹中涡元诱导速度的计算,分析了该方法的加速特性和准确性。在此基础上,采用多极展开算法求解了旋翼模型在悬停和前飞状态下的自由尾迹几何形状和桨盘诱导入流分布,并与直接计算结果和实验数据进行了对比,表明FMM算法在提高计算效率的同时能够保持较高的精度。     

旋翼实度对悬停效率影响的试验研究

着重就旋翼实度对悬停效率的影响进行了试验研究。首先分析了悬停效率与旋翼实度之间的影响关系，然后介绍了试验研究采用的方法和所取得的试验结果，给出了不同实度时旋翼拉力与总距、悬停效率与总距、悬停效率与拉力系数以及悬停效率与单位桨叶面积拉力系数的关系曲线。对试验结果的分析表明，试验方法合理，结果可靠，可供旋翼设计时参考。     

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。     

共轴式直升机飞行性能分析

从总体设计角度，对双旋翼共轴式直升机的悬停和前飞性能计算进行了分析和研究，建立了一套工程实用的计算方法，编制了程序，计算了算例。特别在悬停状态下，根据滑流理论，考虑了双旋翼的相互气动干扰，经过合理的简化、推导和求解，得到了适合不同旋翼间距的悬停性能计算公式。为了验证理论分析的正确性，在旋翼实验台上进行了双旋翼气动特性实验。试验结果表明，上述的分析和计算方法可以较好地满足直升机总体设计要求，并取得了     

基于自由尾迹方法的电控旋翼气动特性分析

考虑了襟翼偏转对桨叶剖面有效迎角及旋翼尾迹结构的影响,建立了电控旋翼自由尾迹入流模型,并结合电控旋翼带襟翼翼型气动力模型、桨叶挥舞运动模型、旋翼配平模型,建立了一种电控旋翼气动特性分析方法.利用该方法,对某样例电控旋翼悬停和前飞状态的气动特性进行了计算,并将电控旋翼与常规旋翼的气动特性进行了对比分析.结果表明,悬停时,配平所需的电控旋翼襟翼偏角幅值随拉力增加而增加;前飞时,电控旋翼后行桨叶剖面迎角比常规旋翼更大,更可能发生失速.     

倾转旋翼机机翼向下载荷的计算方法及参数影响分析

针对悬停和前飞时旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了机翼向下载荷的计算模型.该模型中,旋翼在机翼处产生的诱导速度以及对机翼干扰的旋翼尾迹边界基于Weissinger-L升力面理论和自由尾迹方法计算,以考虑倾转旋翼桨叶的大负扭转和尖削带来的较大三维影响,机翼表面流则区分为弦向流及展向流,以分别计算向下载荷.以缩比的V-22模型旋翼为算例,计算了悬停时旋翼下方的下洗速度分布和机翼的向下载荷,与可得到的实验结果进行了对比,验证了计算模型的有效性.然后,应用该计算模型,研究了襟翼偏角、旋翼倾转角、前飞速度、旋翼/机翼间距等参数对机翼向下载荷的影响.结果表明:机翼的襟翼偏斜角对有效减小机翼向下载荷有重要作用,随旋翼从悬停向前飞倾转,机翼向下载荷减小.     

直升机旋翼桨尖形状初步研究

直升机旋翼桨尖形状由简单的矩形改变为先进形状可改善直升机性能,降低旋翼产生的振动和噪声。本文在简介国内外直升机旋翼桨尖形状研究情况的基础上,着重叙述近期在南京航空学院直升机技术研究所旋翼台上进行的四种不同桨尖形状旋翼悬停性能初步试验研究,给出了试验结果及其分析。试验的四种桨尖是:(a)矩形桨尖;(b)后掠(或直线后掠)桨尖;(C)尖削桨尖,(d)后掠抛物桨尖。对于(b)、(c),后掠或尖削从 r=O.9R 处开始,而(d)后掠抛物从 r=o.85R 开始。文中给出了试验所得桨尖对拉力、功率、悬停效率的影响曲线,并进行了相应分析,试验及分析结果表明,桨尖形状的改进确实能提高旋翼的悬停效率,改善性能。尖削形状的旋翼拉力可提高6%以上,而悬停效率亦可提高5%。     

Highly-Efficient Aerodynamic Optimal Design of Rotor Airfoil Using Viscous Adjoint Method

In order to overcome the efficiency problem of the conventional gradient-based optimal design method,a highly-efficient viscous adjoint-based RANS equations method is applied to the aerodynamic optimal design of hovering rotor airfoil.The C-shaped body-fitted mesh is firstly automatically generated around the airfoil by solving the Poisson equations,and the Navier-Stokes(N-S)equations combined with Spalart-Allmaras(S-A)one-equation turbulence model are used as the governing equations to acquire the reliable flowfield variables.Then,according to multi-constrained characteristics of the optimization of high lift/drag ratio for hovering rotor airfoil,its corresponding adjoint equations,boundary conditions and gradient expressions are newly derived.On these bases,two representative rotor airfoils,NACA0012 airfoil and SC1095 airfoil,are selected as numerical examples to optimize their synthesized aerodynamic characteristics about lift/drag ratio in hover,and better aerodynamic performance of optimal airfoils are obtained compared with the baseline.Furthermore,the new designed rotor with the optimized rotor airfoil has better hover aerodynamic characteristics compared with the baseline rotor.In contrast to the baseline airfoils optimized by the finite difference method,it is demonstrated that the adjoint optimal algorithm itself is practical and highly-efficient for the aerodynamic optimization of hover rotor airfoil.     

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。     

2米旋翼模型试验系统研制

旋翼模型试验系统是开展直升机理论与技术研究、新机研制的最基本和最重要的试验设备。本文简介由南京航空学院研制的2米旋翼模型试验系统、它的设计思想和主要特点等。该系统主要用于开展直升机空气动力学、动力学和飞行力学等方面的试验研究,也可直接为直升机型号研制服务。其主要设计原则是满足试验要求、与现已有的风洞相匹配和满足可行性与灵活性要求等。 本文对旋翼模型、操纵与激振系统,动力、传动系统,测量系统,数据采集与处理系统,安全监控与报警系统,以及中央控制台与显示系统等的主要特点均作了简略叙述;还简要介绍了系统调试中的几个问题:温升、振动、天平标定及变距标定等。 系统调试完成之后,已成功地进行了几个典型的空气动力学与动力学试验。试验结果达到预定要求,表明该试验系统的研制是成功的。     

微型共轴双旋翼气动性能数值模拟与试验分析

为研究悬停状态下旋翼的间距对微型共轴双旋翼气动性能的影响，文中通过搭建试验平台对间距比h/r分别为0.32、0.38、0.45、0.51、0.58、0.65和0.75下的共轴双旋翼进行气动性能测试，以测量不同旋翼转速下所得共轴双旋翼的拉力和功耗对共轴双旋翼气动布局进行优化，试图找出具有最佳气动特性的共轴旋翼布局。另外，通过试验误差分析确定了相应的拉力系数、功率系数和功率载荷，且试验误差均小于2%。同时，为更直观得到不同间距下气流干扰对旋翼系统气动性能的影响，文中采用数值模拟得到了不同间距比下旋翼的流线分布和压力分布。最后，对比试验结果，综合分析旋翼间气动干扰的影响，最终得到间距比h/r为0.38时的共轴双旋翼具有最佳的气动布局。研究结果表明，悬停状态的共轴双旋翼可以通过改变间距大大提高气动性能，且同一间距下转速越大虽然旋翼间干扰越强烈，但此时开始出现耦合，使得系统的气动性能可能更好，同时，由于上下旋翼间的相互诱导，虽然转速较低时升力较小，但是功耗明显低于高转速，使得系统具有更大的功率载荷。     

动力入流对旋翼操纵导数影响的研究

动力入流理论把旋翼扰动运动所引起的气动力变化和诱导速度变化直接联系起来,是一种简便而实用的旋翼非定常气动力模型。本文把动力入流模型引入旋翼操纵响应分析,建立了一套计算旋翼操纵力和力矩的分析模型,并在旋翼模型试验台上进行旋翼悬停操纵导数试验。通过试验值与理论值(计入和不计入动力入流)的对比分析,证明了动力入流模型的适用性,初步弄清了不同条件下动力入流的影响程度。本文还用一个简化模型分析了动力入流对不同型式的旋翼(无铰式、根部较柔软的无铰式和铰接式)的影响程度,得出了与传统观点不同的结论。     

直升机后掠桨尖旋翼气弹稳定性研究

通过建立具有后掠桨尖旋翼气弹稳定性的分析模型，研究后掠桨尖旋翼气弹的稳定性。结构模型考虑了旋翼桨叶的偏置、预锥、预掠、预扭以及桨尖的后掠等多种旋翼参数及非线性影响，分析了不同桨尖后掠角几何参数对旋翼气弹稳定性的影响。数值结果表明，桨尖后掠对旋转旋翼桨叶气弹稳定性影响较大，桨尖后掠使一阶扭转频率增加，同时使一阶摆振阻尼降低，后掠桨尖单元的非线性转换关系对气弹分析结果有影响，桨尖后掠角越大这种影响越显著。     

CK-1C靶机风洞模型实验数据的修正和使用

本文叙述了CK-1C靶机带堵锥风洞模型的实验数据到真实飞行情况下使用的气动力数据的计算和分析方法。主要包括Re数(含高度)修正、弹性影响、进气效应、喷流效应和模型尾支架干扰五个方面内容。在零升阻力修正中,本文把喷流效应与尾支架干扰结合起来考虑。从而,提出一个在M<1时,喷流效应对零升阻力系数受M数影响的经验修正公式. 风洞实验数据经用本文方法修正后,供给轨道计算,得出的结果与试飞结果吻合较好。一般误差在5～10％范围内,其平飞速度误差可以达到2％。     

低雷诺数效应对0.6m连续式风洞性能影响

风洞试验中通常采用降低运行总压的方法来扩大风洞雷诺数模拟的下边界。同常压试验相比，在低雷诺数条件下，风洞流场是否存在明显变化，风洞流场品质是否满足指标要求，直接影响风洞试验数据的精准度。为了研究低雷诺数效应对0.6m连续式跨声速风洞性能（包括轴流式压缩机性能、总压及马赫数控制精度、流场均匀性）的影响，调试人员在0.6m连续式跨声速风洞中开展了大量相关试验，本文在对试验结果进行整理、分析的基础上，给出了Re对风洞性能的影响。结果表明:（1）Re对压缩机性能、总压控制精度、马赫数控制精度、流场均匀性都有明显影响，当Re_c<5×105（c=0.1√A）时，雷诺数效应明显，且Re越小，影响越大。（2）0.6m连续式跨声速风洞能够真实、准确反映Re对风洞流场性能和测力试验数据的影响规律，是开展高空低雷诺数飞行器、翼型、发动机等性能研究的理想地面模拟试验平台。