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%.      

适用于倾转旋翼机气动分析的新型嵌套网格方法

为克服围绕复杂倾转旋翼机生成高质量一体化结构网格的困难，将分块网格策略与嵌套网格方法融合，提出并建立了一套适用于倾转旋翼机气动干扰分析的新型嵌套网格生成方法。该方法中，将整体网格按照倾转旋翼机结构特性进行了分块生成，在保证插值精度的基础上降低了网格规模。为高效连接不同部件网格，首先，引入Inverse Map方法来辅助部件网格定位，采用新颖的多向投影方法保证了部件间洞边界的连续性；其次，基于独立挖洞嵌套策略完成机身与背景网格的组合，并使用了相应的辅助计算坐标进行背景边界网格标识。在贴体网格区域采用基于S A（Spalart Allmaras）湍流模型可压缩RANS(雷诺平均Navier Stokes）方程求解流场，背景网格区域采用欧拉方程，并运用了SPMD(single program, multiple data)模式的并行加速技术，建立了适合倾转旋翼机气动干扰特性分析的高效混合CFD方法。采用Robin直升机机身作为数值算例，验证了CFD方法的有效性。在此基础上着重对倾转旋翼机在悬停、过渡和前飞巡航模式下的干扰流场进行了数值分析研究，分别得出了悬停状态下倾转旋翼机典型的“喷泉效应”干扰现象、过渡状态下的非定常气动干扰特性以及巡航状态下的部件气动变化特性，计算结果表明建立的新型嵌套网格方法能够较好地表征倾转旋翼机外形特性，并能够有效地用于倾转旋翼机的气动特性分析，加速比能超过5.0。      

倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰的试验研究

在模型旋翼台和风洞中,针对倾转旋翼机旋翼/机翼的两个主要干扰状态(悬停和低速前飞)进行了试验,分别测量了悬停状态不同机翼安装角和旋翼总距角、前飞状态不同机翼安装角和吹风速度等试验条件下的倾转旋翼拉力、扭矩以及机翼上下表面压力分布,并对试验结果进行了分析,得出了一些有意义的结论,为进一步研究倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰的特性问题做了些探索性的工作.     

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。     

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.      

基于黏性涡粒子和非定常面元法耦合的倾转四旋翼飞行器气动干扰研究

为研究倾转四旋翼飞行器复杂的气动干扰问题，首先基于黏性涡粒子和非定常面元法建立了倾转四旋翼飞行器干扰流场的数值计算方法，并验证了该方法的有效性；其次，根据建立的方法对悬停和前飞状态下的气动特性和干扰情况进行了计算和分析；最后，针对干扰情况对倾转四旋翼的气动布局进行了部分优化设计。结果表明：悬停时的干扰主要来自旋翼下洗流对机翼作用产生的向下载荷，占旋翼拉力的25.3%;前飞时的干扰主要表现为旋翼尾流对机翼“增阻”作用，致使全机升阻比降低13.2%,增加前后旋翼的横向间距能使前飞时后旋翼的拉力和效率分别提升13.5%和4.2%,全机的升阻比提高3.1%;旋翼下方机翼后缘向下偏转的布局能使悬停时机翼受到的向下载荷减小40.7%。     

倾转四旋翼飞行器垂直飞行状态气动特性

综合采用基于滑移网格技术的计算流体力学(CFD)方法与悬停状态气动干扰试验方法,对倾转四旋翼(QTR)飞行器垂直飞行状态的流场进行模拟与试验,研究飞行器垂直飞行状态气动特性以及部分参数对气动特性的影响。结果表明:倾转四旋翼飞行器在垂直飞行状态,前后旋翼之间干扰不明显,但旋翼与机翼的干扰明显;旋翼旋向对旋翼与机翼的干扰不同,右旋时,机翼气动力占旋翼拉力的15%,左旋时占旋翼拉力的9%;飞行器在垂直运动过程中,会引起在前飞方向的分力和低/抬头力矩变化;飞行器在垂直下降过程中,旋翼会进入涡环状态,机翼的存在有效降低了涡环状态的破坏作用,涡环降低气流对机翼翼尖冲击作用。该结果有助于飞行器的设计与安全飞行。      

倾转四旋翼机气动特性分析及参数影响研究

采用机身/机翼/尾翼贴体网格与旋翼动量源相结合的CFD方法,开展了某倾转四旋翼机气动布局参数对气动特性的影响分析研究。首先,建立了一套适用于倾转四旋翼机全机干扰流场模拟的数值方法。然后,基于所建立方法开展了不同部件干扰情况下旋翼气动特性分析。最后,分析了前飞速度、旋翼旋向组合、旋翼横向距离对旋翼与机翼气动特性的影响规律。结果表明：后旋翼气动特性受全机干扰的影响较大,后旋翼拉力相对于孤立旋翼减小了41%。随着前飞速度的增加,前旋翼和机翼对后旋翼的气动干扰增强。从机头前方正视,机翼的左旋翼右旋和机翼的右旋翼左旋,有利于改善全机气动性能。前后旋翼的横向距离增大会提高后机翼和后旋翼的气动性能,横向距离为0.5 m时,后旋翼拉力比0 m时增大47%。     

基于DES方法的倾转旋翼悬停计算研究

针对倾转旋翼悬停工作状态,在嵌套网格下数值求解非定常Navier-Stokes方程,研究了流场中的流动及旋翼/机翼间气动干扰。在网格系统中,采用了可自适应的背景直角网格,用于精确捕捉流场中的大尺度涡及其他流动细节。涡粘性计算采用了Spalart-Allmaras(SA)的脱体涡模拟(Detached Eddy Simulations,DES)方法。计算结果与相应的雷诺平均Navier-Stokes(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)方法结果进行了对比,目的在于考察采用不同计算方法得到的流场结构和气动力差异。计算表明,DES方法更细致地描述了机翼下方的分离流动,桨叶通过机翼上方时拉力变化更剧烈,机翼向下载荷比RANS结果小2.3%左右。     

倾转旋翼机旋翼对机翼气动干扰的建模及分析

建立了一个耦合旋翼自由尾迹模型和机翼面元模型的悬停状态旋翼/机翼气动干扰迭代计算方法,用于分析旋翼对机翼的气动干扰影响.在该方法中,为较好地模拟大桨盘载荷及大扭转桨叶的气动特征,旋翼桨叶采用Weissinger-L升力面模型;为考虑厚度效应及机翼的升力影响,建立了包含源面元和偶极子面元的厚度机翼模型;为正确模拟旋翼桨尖涡与机翼表面间的贴近干扰,采用了一个"分析数值匹配法"的"贴近涡/面干扰模型".应用上述方法,对单独倾转旋翼下洗流分布以及旋翼对机翼的气动干扰影响进行了计算.结果表明,在旋翼下洗流场的干扰下,机翼各剖面都产生向下载荷,但并非简单地随拉力系数的增大而增大;机翼受到的旋翼干扰影响与旋翼下洗流沿桨叶展向变化密切相关.     

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。      

Robust Navier-Stokes method for predicting unsteady flowfield and aerodynamic characteristics of helicopter rotor

A robust unsteady rotor flowfield solver CLORNS code is established to predict the complex unsteady aerodynamic characteristics of rotor flowfield. In order to handle the difficult problem about grid generation around rotor with complex aerodynamic shape in this CFD code,a parameterized grid generated method is established, and the moving-embedded grids are constructed by several proposed universal methods. In this work, the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equations with Spalart-Allmaras are selected as the governing equations to predict the unsteady flowfield of helicopter rotor. The discretization of convective fluxes is accomplished by employing the second-order central difference scheme, third-order MUSCL-Roe scheme, and fifth-order WENO-Roe scheme. Aimed at simulating the unsteady aerodynamic characteristics of helicopter rotor, the dual-time scheme with implicit LU-SGS scheme is employed to accomplish the temporal discretization. In order to improve the computational efficiency of holecells and donor elements searching of the moving-embedded grid technology, the ‘‘disturbance diffraction method" and ‘‘minimum distance scheme of donor elements method" are established in this work. To improve the computational efficiency, Message Passing Interface(MPI) parallel method based on subdivision of grid, local preconditioning method and Full Approximation Storage(FAS) multi-grid method are combined in this code. By comparison of the numerical results simulated by CLORNS code with test data, it is illustrated that the present code could simulate the aerodynamic loads and aerodynamic noise characteristics of helicopter rotor accurately.     

Numerical simulation of aerodynamic interaction for a tilt rotor aircraft in helicopter mode

A rotor CFD solver is developed for simulating the aerodynamic interaction phenomenon among rotor, wing and fuselage of a tilt rotor aircraft in its helicopter mode. The unsteady Navier–Stokes equations are discretized in inertial frame and embedded grid system is adopted for describing the relative motion among blades and nacelle/wing/fuselage. A combination of multi-layer embedded grid and ‘‘extended hole fringe" technique is complemented in original grid system to tackle grid assembly difficulties arising from the narrow space among different aerodynamic components, and to improve the interpolation precision by decreasing the cell volume discrepancy among different grid blocks. An overall donor cell searching and automatic hole cutting technique is used for grid assembly, and the solution processes are speeded up by introduction of Open MP parallel method. Based on this solver, flow fields and aerodynamics of a tilt rotor aircraft in hover are simulated with several rotor collective angles, and the corresponding states of an isolated rotor and rotor/wing/fuselage model are also computed to obtain reference solution.Aerodynamic interference influences among the rotor and wing/fuselage/nacelle are analyzed,and some meaningful conclusions are drawn.     

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。     

悬停状态剪刀式尾桨气动/噪声特性优化分析

建立了一套基于CFD(computational fluid dynamics)方法和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的剪刀式尾桨气动噪声预估技术和组合优化算法的尾桨外形参数设计方法。基于嵌套网格方法采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为尾桨流场求解控制方程,采用了一套适用于剪刀式尾桨悬停气动特性模拟的高效CFD方法。在流场分析的基础上,采用FW-H方程预测剪刀式尾桨在典型观察位置处的气动噪声。分别在控制总距以及控制拉力系数不变的情况下,以提高尾桨悬停效率同时降低气动噪声为目标,对剪刀式尾桨的剪刀角和轴间距两个主要外形参数进行优化设计。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法与遗传算法过程相结合,建立了一种有效的组合优化算法。结果表明:剪刀角和轴间距的不同组合可以通过削弱桨-涡干扰现象从而实现降低旋翼桨-涡干扰噪声的目的。在当前的计算状态下,优化得到的剪刀式尾桨的悬停效率比常规尾桨高16%,其平均声压级比常规尾桨降低了2.3 dB。      

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...