基于混合网格的直升机旋翼/机身非定常干扰流场数值模拟方法

基于混合网格建立了一个适合于直升机旋翼/机身非定常干扰流场的数值模拟方法。其中,采用混合网格系统生成旋翼/机身干扰流场网格以降低网格生成难度;将二阶MUSCL格式和Roe格式相结合进行空间离散以提高流场的计算精度;同时引入隐式LU-SGS时间格式和OpenMP并行模式以提高干扰流场的计算效率。应用建立的计算方法,对Georgia和Robin旋翼/机身模型进行了数值模拟和分析,与试验结果良好的相关性表明了该方法的有效性。     

基于CFD的直升机旋翼流场及气动力计算

建立了一个基于结构运动嵌套网格的流场求解器,用来精确模拟复杂的旋翼流场,为更好地预测旋翼气动载荷提供一套计算方法.在该求解器中,控制方程为惯性坐标系下的三维非定常Navier-Stokes方程,空间方向上采用低数值耗散的Roe格式结合三阶逆风格式(Monotonic upwind scheme for conservation law,MUSCL),湍流模式采用了一方程的Spalart-Allmaras模型.应用所建立的方法,分别针对Caradonna模型旋翼、UH-60A直升机旋翼的悬停流场和7A旋翼、SA349/2直升机旋翼的前飞流场以及旋翼气动载荷进行了数值模拟.计算结果表明,本文的方法在一定程度上提高了对旋翼流场的模拟能力,进而提高了旋翼气动载荷的计算精度.     

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。     

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。     

基于WENO-分段线性格式的旋翼流场数值模拟

为了降低二阶JST(Jameson-schmidt-turkel)格式导致的数值耗散,发展了一套适合于格心格式的基于加权本质无振荡(Weighted essentially non-oscillatory,WENO)-分段线性格式的旋翼流场数值模拟方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕旋翼的网格系统,主控方程选择Navier-Stokes(N-S)方程。为了更加有效地对桨尖涡等流动细节进行捕捉,在笛卡尔背景网格上采用七阶Roe-WENO格式计算对流通量;在桨叶贴体非结构网格上采用二阶精度的Roe-分段线性格式计算对流通量。时间离散采用了高效的双时间隐式LU-SGS(Lower upper symmetric Gauss-Seidel)方法进行时间推进。最后,应用上述方法对悬停状态的C-T(Caradonna-tung)旋翼和Helishape 7A旋翼进行了数值模拟,将数值计算结果与实验数据进行了对比,计算值与实验值吻合较好;并将桨尖涡模拟效果与二阶JST格式的模拟效果进行了对比。对比结果表明:本文方法能有效对旋翼流场进行计算,且在相同计算条件下,WENO-分段线性格式能够更有效地捕捉旋翼涡流场的流动特性,表明在计算旋翼涡流场时WENO-分段线性格式相比传统二阶JST格式具有更低的数值耗散。     

弹射座椅系统外高速流场的数值模拟

对绕弹射座椅系统的高速流场进行了数值模拟.控制方程为雷诺平均的Navier-Stokes方程,空间离散为Osher逆风格式和五步龙格库塔格式,湍流模拟采用了基于M-SST两方程紊流模型的DES方法,计算中采用了区域分裂的并行技术.对来流马赫数分别为0.6,1.2的流场进行了计算,计算结果表明该方法可以较好地模拟弹射座椅系统外的高速流场.     

机库门开合对舰载直升机着舰域流场的影响研究

建立了一个基于纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程的舰载直升机着舰域流场的分析方法。该方法可有效地用于分析着舰域旋翼/机身/舰船之间的相互干扰。在该方法中,空间方向上使用二阶迎风格式进行离散;求解方式采用"压力-速度耦合"方式;网格上运用自适应切割体网格进行划分;旋翼使用动量源模型;不规则海风运动以边界条件形式添加到整个着舰域流场的计算中。应用建立的方法,以孤立舰船流场和旋翼/机身组合流场分别作为算例,进行试验值与计算值的对比并验证了方法的有效性。在此基础上,开展了旋翼下洗流与舰船机库尾流耦合干扰特性的研究。结果表明:机库尾流漩涡的影响区域沿甲板长度方向约为机库高度的3倍;从空气动力学角度分析,打开机库门更有利于直升机安全着舰;直升机着舰过程中,旋翼拉力先减小后增大,机身阻力先减小而后变为负值。     

直升机在复杂舰面流场中的悬停研究

针对舰面流场非线性、非均匀的特性,把旋翼桨盘离散成空间有限单元,将当地流场风速叠加到叶素剖面相对气流中,改进了叶素气动力计算模型,提高了旋翼载荷的计算精度;采用CFD方法计算了某型母舰甲板上方的气流场,其下冲气流是影响直升机安全的主要因素;计算了UH-60A直升机在该舰甲板4个直升机起降位上方流场中的悬停配平,通过与陆基环境计算结果的对比,分析了舰面流场环境对直升机舰面悬停性能的影响;同时,计算了直升机在舰面流场中的响应,通过对MIL流场模型响应的对比验证了本文计算模型。     

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。     

直升机旋翼计算流体力学的研究进展

依据直升机旋翼计算流体力学(CFD)的发展，分别介绍了小扰动位势方程、全位势方程、Euler方程和Navier—Stokes方程在旋翼流场计算中的研究现状和发展趋势，着重从方程离散、数值算法、网格生成、计算时间和计算精度等方面分析了不同旋翼CFD方法的特点，指出了旋翼的尾迹在旋翼流场计算中的重要性，并针对位势方程和Euler／N—S方程分别讨论了求解的边界条件。最后，对旋翼CFD的发展提出了几点展望。