直升机旋翼翼型需求分析及技术发展展望

与机翼翼型相比,旋翼翼型在前飞时来流速度和迎角处于大范围变化之中,需要针对多种气动环境进行综合权衡设计.针对常规直升机和新构型高速直升机,综合考虑多种飞行条件,分析了旋翼翼型设计的性能需求.总结了先进旋翼翼型系列的发展及应用情况,以OA和TsAGI翼型为例分析了旋翼翼型的气动性能特点和发展趋势.从旋翼翼型指标分解、动态气动特性计算与试验、气动优化设计等方面介绍了旋翼翼型技术的发展现状,并对未来旋翼翼型技术的发展进行了展望.     

直升机旋翼翼型需求分析及技术发展展望

与机翼翼型相比,旋翼翼型在前飞时来流速度和迎角处于大范围变化之中,需要针对多种气动环境进行综合权衡设计.针对常规直升机和新构型高速直升机,综合考虑多种飞行条件,分析了旋翼翼型设计的性能需求.总结了先进旋翼翼型系列的发展及应用情况,以OA和TsAGI翼型为例分析了旋翼翼型的气动性能特点和发展趋势.从旋翼翼型指标分解、动态气动特性计算与试验、气动优化设计等方面介绍了旋翼翼型技术的发展现状,并对未来旋翼翼型技术的发展进行了展望.     

一种旋翼翼型多点多约束气动优化设计策略

充分考虑伴随方法的梯度求解的准确性、CFD计算量小等显著优点,研究了引入基于伴随方法的梯度信息的响应面模型构造问题,发展了基于梯度信息改进的响应面方法,提高了多设计变量适应性及优化效率;针对悬停/前飞/机动状态下的旋翼翼型升阻比、阻力发散马赫数、最大升力等气动特性精确分析需求,分别提出了对应的合理气动计算策略;为有效适应旋翼翼型复杂气动设计问题,发展了基于伴随方法与响应面法有效结合、针对悬停/前飞/机动状态对应气动计算策略的一种较实用高效的旋翼翼型气动优化设计策略,提高了计算精度、鲁棒性与优化效率,进行了典型OA309旋翼翼型算例验证,优化后旋翼翼型与原OA309翼型相比,综合性能有较好改善,研究表明,所发展的气动设计策略是有效、可行的。     

基于遗传算法的旋翼翼型综合气动优化设计

结合直升机飞行特性及旋翼工作气动环境,提出了适用于中型运输直升机旋翼翼型优化设计的目标函数及约束条件.在此基础上采用遗传算法,以"黑鹰"(UH-60A)直升机旋翼翼型SC1095为基础翼型,进行多目标、多状态以及多约束条件下的旋翼翼型优化设计.优化翼型同SC1095翼型相比弯度稍大,最大厚度略有增加.结果表明:优化翼型气动力特性在满足约束条件的情况下,零升力矩系数减小了57.2%,最大升力系数增加了3.7%,阻力系数减小了7.5%.同时,非定常动态失速状态下的气动特性也有一定的改善,阻力系数和力矩系数的发散范围均有明显的减小.此外,悬停状态计算结果表明:采用优化翼型构成的旋翼与SC1095旋翼相比,具有更高的悬停效率及更低的力矩系数.      

旋翼翼型气动设计与验证方法

为满足我国直升机研发对自主旋翼翼型的迫切需求,开展了旋翼翼型气动优化设计与验证方法研究.发展了旋翼翼型指标分析与给定方法,给出了我国直升机旋翼翼型谱系规划设想,以进化多目标算法为基础结合PCA算法建立了旋翼翼型多点/多目标优化设计方法,突破了旋翼翼型气动特性精准测量风洞试验技术.利用所建立的方法对典型厚度翼型进行了优化设计并开展了风洞试验验证,计算评估与试验验证均表明自主设计翼型综合性能较国外参考翼型有一定提升.在此基础上,进一步构建了旋翼性能理论计算与试验验证综合评估方法,两种方式得到的旋翼主要性能数据偏差小于5％,表明该方法具有较高的可靠性.评估结果显示,基于设计翼型的旋翼模型气动性能较基于参考翼型的旋翼模型提升了3％.     

旋翼结冰对“黑鹰”直升机飞行性能影响分析

基于西科斯基公司翼型冰风洞结冰试验推导的公式,建立了"黑鹰"直升机旋翼翼型结冰模型,计算了结冰后翼型气动特性变化;在此基础上建立了直升机悬停和前飞计算模型,结合旋翼翼型结冰情况,分析了旋翼结冰后飞行性能的变化和影响。计算证明建立的结冰模型正确,可以用于预测直升机结冰后的飞行性能。     

翼型气动特性对高原环境旋翼气动性能影响研究

以HARTⅡ模型旋翼为研究对象,开展了高原环境下翼型气动特性对旋翼气动性能影响的研究。首先,基于CAMRADⅡ综合分析软件,采用自由尾迹模型建立适合于HARTⅡ旋翼的气动计算模型,并采用相关试验数据进行了计算验证。在此基础上,针对悬停和前飞状态开展了计算研究,分析了不同飞行速度和海拔高度下剖面翼型气动环境对直升机旋翼性能的影响规律。计算结果表明,高原环境悬停效率受翼型本身阻力特性的影响在大拉力系数下下降更快;高原环境旋翼升阻比曲线受剖面翼型工作迎角和马赫数的影响在平原环境升阻比曲线之下;高海拔大前进比时,桨叶尖端区域剖面翼型前行侧的来流马赫数超出阻力发散马赫数,受空气压缩性影响,旋翼性能降低。     

国外直升机旋翼翼型研究综述

为提高直升机的性能,减少噪声,改善飞行品质,自20世纪70年代以来,美国、英国和法国等都根据对所设计直升机的性能和任务需求而致力于新翼型的研究,并建立了旋翼翼型设计和选择的方法,初步评估在达到和接近最大升力时,翼型几何参数对阻力发散Ma数的影响。得出直升机旋翼最后所选用翼型或翼型的组合,必须在具体性能要求的基础上得到。最后介绍了波音—伏托公司制定的发展先进的高速直升机计划中,在旋翼翼型研究方面,研制了VR系列翼型、法国ONARA和宇航技术公司联合实施了高速直升机旋翼性能优化的计划,研制了OA系列翼型的具体工作。     

旋翼桨叶气动外形设计

旋翼桨叶气动外形设计的目的主要是使旋翼的气动特性满足直升机的设计和使用要求,本文针对直升机旋翼桨叶气动外形设计中的有关问题,介绍了桨叶气动外形设计的设计方法,设计参数主要包括桨叶的弦长、扭转角、翼型选择和配置以及桨尖形状,并以某型直升机旋翼桨叶为例,介绍了旋翼桨叶气动外形的设计。     

直升机桨叶连续后缘襟翼设计与气动影响分析

在直升机旋翼减振应用中,连续后缘襟翼和常规分离式襟翼相比具有重量轻、结构紧凑、气流平稳等优点。选用压电纤维复合材料作为驱动材料,基于NACA23012翼型设计带有连续变形后缘襟翼的桨叶段,对襟翼及其驱动结构进行选材设计分析;采用流固耦合方法分析连续后缘襟翼对剖面翼型气动特性的影响。结果表明:连续后缘襟翼在直升机桨叶工作迎角、马赫数范围内可实现有效偏转,显著改变翼剖面气动升力和力矩,证明了连续后缘襟翼在旋翼减振控制中的潜在应用价值。     

Rotor airfoil aerodynamic design method and wind tunnel test verification

Well-designed airfoil is very important for high-performance rotor. This paper developed an efficient multi-objective and multi-constraint optimization design system for rotor airfoils based on RANS analysis, and verified the performance of the optimized airfoil. Using CRA09-A as the baseline rotor airfoil, the CRA09-B optimized rotor airfoil was designed successfully. Combined with the foundation of high-precision rotor airfoil stationary test technology, the CRA09-B and CRA09-A rotor airfoils were tested in the S3MA high-speed wind tunnel of ONERA. In order to correct the aerodynamic data, a single parameter linear wall pressure method is used to consider the tunnel effects. The results indicate that multi-objective and multi-constraint optimization design method developed in this study is reliable, and that CRA09-B optimized airfoil provides better stationary performance than CRA09-A airfoil in terms of maximum lift coefficient and lift-to-drag ratio.     

高升力翼型的气动优化设计和实验研究

利用遗传算法进行了低雷诺数高升力翼型的气动优化设计,并利用风洞实验检查了设计的正确性。优化后的翼型其气动特性有明显改善,这说明了利用遗传算法进行低雷诺数翼型气动优化的可行性。风洞实验结果验证了优化设计方法的正确性,同时也表明新设计翼型有较高的升力系数和相对大的升阻比,其升阻比提高了10%。     

椭圆翼型低速气动特性研究

为对椭圆翼型的低速气动特性进行研究,通过不同相对厚度椭圆翼型气动特性的数值计算和分析比较,选取16%相对厚度椭圆翼型作为试验翼型,在西北工业大学NF-3风洞二元试验段内对此翼型的低速气动特性进行了试验研究,试验采用表面测压和尾排型阻测量技术.试验结果与数值计算结果的对比表明,在较高速度和雷诺数下试验值与计算值吻合得较好,但在小速度和低雷诺数下试验值与计算值则相差较大,在升阻和力矩特性方面,椭圆翼型呈现出不同于传统翼型的气动特性.     

NPU-WA系列风力机翼型设计与风洞实验

针对兆瓦级大型风力机,研究发展了以具有更优良高雷诺数和高升力气动性能为特点的NPU-WA翼型族,风洞实验表明,该翼型族达到了在高雷诺数、高升力条件下实现高升阻比和外侧翼型对粗糙度不敏感的主要设计要求,为我国自主研发大型风力机提供了可以实际使用的翼型几何数据和雷诺数范围内1.0×106～5.0×106的风洞实验数据。     

旋翼翼型多目标多约束气动优化设计

为了克服传统旋翼翼型优化设计方法的不足,发展了一种基于Kriging模型与遗传算法的旋翼翼型多目标多约束气动优化设计方法。采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的数值模拟获得样本翼型气动性能,并建立目标函数和状态函数的Kriging模型,采用遗传算法搜索Kriging模型最小值和相应的EI(Expected Improvement)函数最大值,更新Kriging 模型直至找到满足约束的最优翼型。运用加权目标函数法进行了旋翼翼型的多设计点优化设计。优化结果表明,优化后旋翼翼型在满足约束的同时,与基准旋翼翼型OA209相比:在悬停状态下,阻力系数下降了2.1%;在机动状态下,最大升力系数提高了4.2%;在前飞状态下,阻力系数在不同马赫数下均有所减小。     

应用协同射流原理的旋翼翼型增升减阻试验研究

协同射流技术作为一种新型主动流动控制技术,是突破旋翼翼型高增升减阻设计的最有潜力的发展方向之一。以 OA312 旋翼翼型作为基准翼型,研制微型涵道风扇组为驱动的旋翼翼型 CFJ 风洞测力模型,开展基于前缘高负压零质量内循环协同射流原理的旋翼翼型高增升减阻低速风洞试验,研究吹气口大小、吸气口大小和上翼面下沉量等基础参数对增升减阻的影响规律,探讨 CFJ 旋翼翼型关键参数最佳取值。结果表明：与OA312 基准翼型相比,小攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著降低阻力系数,甚至出现“负阻力”现象,实现了零升俯仰力矩基本不变;大攻角状态时,CFJ 旋翼翼型可显著提升最大升力系数和失速迎角,其中,最大升力系数可提升约 67.5%,失速迎角推迟了近 14.8°。     

结冰区流场特征一致的混合缩比翼型设计

提出了一种基于翼型前缘范围流场相似的多控制点混合缩比翼型优化设计方法:以前缘局部范围内的空间流场特征相同为目标,采用多目标遗传优化算法结合翼型参数化、多控制点、网格自适应技术及CFD,进行了不同工况下的混合缩比翼型设计,分别通过低湍流度风洞及结冰风洞对翼型的气动性能及积冰过程进行了实验。设计及实验结果表明:该混合缩比翼型与对应的全尺寸翼型在前缘15%弦长范围内的压力系数偏差均在5%以内,翼型绕流相似;在相同时间历程内两者的冰型增长及气动特性均具有相同的变化规律。该设计方法可以应用于不同实验状态下的混合缩比翼型的设计,提高多状态下结冰实验效率。     

模型振动对风洞实验数据分散性的数值模拟研究

研究模型振动对风洞实验结果的影响对于修正风洞实验数据和加深空气动力学的理解具有重要的现实意义。基于κ－ω的SST两方程湍流模型,在时间域求解雷诺平均N—S方程,研究了模型振动在不同迎角下流场和气动力的变化规律。结果表明：模型振动在小迎角条件下对气动力测量结果几乎没有影响,但在大迎角存在一定分离的条件下,可以引起分离涡的非线性演化,导致气动力平均值的改变,从而引起风洞气动力测量值的分散性。结论从物理机理上解释了大迎角风洞实验的重复性和数据分散性。     

Experiments on unsteady vortex flowfield of typical rotor airfoils under dynamic stall conditions

A new experiment for airfoil dynamic stall is conducted by employing the advanced particle image velocimetry(PIV) technology in an open-return wind tunnel. The aim of this experimental investigation is to demonstrate the influences of different motion parameters on the convection velocity, position and strength of leading edge vortex(LEV) of airfoil under different dynamic stall conditions. Two different typical rotor airfoils, OA209 and SC1095, are measured at different free stream velocities, oscillation frequencies, and angles of attack. It is demonstrated by the measured data that the airfoil with larger leading edge radius could notably decrease the strength of LEV. The angle of attack(Ao A) of airfoil can obviously influence the dynamic stall characteristics of airfoil,and the LEV would be effectively inhibited by decreasing the mean pitch angle. In addition, the convection velocity of LEV is estimated in this measurement, and the results demonstrate that the influence of airfoil shape on convection velocity of LEV is limited, but the convection velocity of LEV would be increased by enlarging the oscillation frequency. Meanwhile, the convection velocity of LEV is a time variant value, and this value would increase as the LEV convects to the trailing edge of airfoil.     

大展弦比机翼模型设计对翼型流场气动特性的影响

采用SST两方程湍流模型,通过求解非定常Navier-Stokes方程,模拟了大展弦比机翼风洞模型振动条件下的翼型流场,总结了翼型不同振动状况下的流场和气动力特点,分析了模型设计中的不同振动情况对风洞试验结果的影响。研究结果表明：在大展弦比机翼风洞模型的设计中,将翼型的重心设计在机翼的弹性轴之后,对风洞试验的精度较为有利。此结论对大展弦比机翼的风洞实验模型设计有指导意义。