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CFD和混合配平算法的直升机旋翼地面效应模拟

建立了一套基于非结构网格技术和动量源模型的直升机旋翼计算流体力学(CFD)方法,用来模拟贴地飞行时直升机旋翼非定常气动特性。其中,控制方程采用三维Navier-Stokes方程,空间方向上采用Jameson格式,时间方向上采用五步Runge-Kutta迭代法,选用Spalart-Allmaras湍流模型。旋翼对流场的作用采用动量源项模拟,为更真实地模拟地面效应(IGE)的作用,采用了"移动地面"的物面边界来代替常规的"固定地面"边界,并对旋翼附近及旋翼与地面之间的网格进行加密处理,以提高地面涡的捕捉精度。考虑实际飞行环境下旋翼的运动和操纵,在流场计算时考虑旋翼配平特性。其中,配平方程的旋翼气动力通过CFD方法和动量-叶素组合理论模型的耦合计算给出,为了提高配平方法的鲁棒性和效率,提出并建立了基于遗传算法/拟牛顿法的高效混合迭代算法。运用所建立的方法,首先,选用有试验结果可供对比的算例计算了地面效应作用下的旋翼拉力增益、功率变化,验证了计算方法的有效性,解决了涡流理论方法较难模拟的"小速度前飞旋翼需用功率突增"问题。然后,着重研究了UH-60A直升机旋翼在不同离地高度、不同前进比状态,旋翼需用功率、诱导速度、地面涡及旋翼操纵的变化规律。计算结果表明:地面涡出现在较小的前进比范围内,随前进比的增大,地面涡在纵向平面将顺来流方向移动,在轴向方位靠近地面方向移动,直至最后不断减弱消失。     

旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究

为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程,建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中,流场求解选取旋转坐标系下的Navier-Stokes方程为控制方程;空间离散采用迎风Roe格式,并采用低耗散的5阶WENO(Weighted Essentially Non-Osciltatory)格式进行对流通量的计算;时间推进则采用双时间法,在伪时间步上使用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)推进格式;应用嵌套网格方法实现桨叶网格和背景网格的数据交换。应用所建立的方法对悬停状态的旋翼桨尖涡流场进行了高精度模拟,在桨叶网格上精细地捕捉到了桨尖涡的具体生成过程,在背景网格上捕捉到了更多圈数的桨尖涡尾迹,并对桨尖涡的演化机理进行了深入研究。结果表明:建立的高精度数值方法能够有效地对旋翼桨尖涡的生成和演化过程进行细致模拟;悬停状态下旋翼桨尖气流在上下表面压力梯度的作用下经历了边界层增厚、逐渐卷起形成涡核以及最终脱离桨叶形成桨尖涡的过程。     

旋翼地面效应的气动建模与特性

地面对旋翼气动特性影响明显，且导致旋翼流场更加复杂。为分析地面效应下的旋翼桨尖涡和流场变化特性，基于涡面和无滑移边界条件，求解第2类Fredholm方程获得地面涡面矢量分布，且将涡面矢量按涡扩散方程扩散到流体中，建立考虑黏性效应的地面气动模型，并耦合非定常面元/黏性涡粒子混合法以体现旋翼桨叶气动特性和旋翼尾迹的非定常效应，构建旋翼地面效应气动分析方法。通过计算Lynx尾桨地面效应下的性能和桨尖涡轨迹，并计算Maryland大学模型旋翼和NASA缩比旋翼地面效应下的垂向、径向速度分布，且与试验和CFD计算结果对比，验证了本文方法能较好捕捉地面效应下的旋翼尾迹变化特性和复杂速度场特性，且结果表明本文方法能较好模拟地面效应下旋翼桨尖涡的收缩、扩散、井喷、地面射流等物理现象。     

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。     

近地飞行时旋翼的气动力及桨叶挥舞运动

基于对旋翼近地飞行时流场的N-S方程计算,计算并讨论了近地飞行时,旋翼拉力、扭矩系数及桨叶挥舞角随前进比、离地高度的变化情况。结果表明,在地面涡出现的飞行条件下,与无地面效应的情形相比,旋翼拉力和侧倾角有显著变化。     

旋翼桨-涡干扰气动特性计算及参数影响研究

建立了一个适用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动特性分析的数值方法。在该方法中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常Euler方程,以适合于分析BVI流场的特点;为便于前飞流场分区求解和信息传递,使用了嵌套网格方法;对于流场中涡线的模拟,建立了一种适用于有限体积格式的涡引入方法——广义网格速度法,以简化计算。应用上述方法对旋翼BVI流场进行了计算,并与可得到的试验数据进行对比,验证了方法的有效性。通过对比桨叶弦向位置压强的变化得出,在旋翼BVI过程中,气动载荷主要来自桨叶10%弦长内的前缘部分的压强突变。文中还进一步分析了涡强、干扰距离和干扰角度对BVI气动特性的影响。本文的BVI数值计算表明:当涡接近桨叶前缘时,升力达到最大;而涡位于后缘位置时,诱导速度改变桨叶环量分布,破坏了后缘的库塔条件,但随着涡的远离,桨叶表面环量开始重构。     

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...     

悬停旋翼无粘流场数值模拟中的多重网格方法

发展了一种基于不同空间离散格式的多重网格算法,并应用于悬停旋翼无粘绕流的Euler方程数值模拟。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域,同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间,使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场,因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散采用了Roe s FDS格式和Jameson中心有限体积格式,时间推进应用了五步Runge-Kutta方法。采用多重网格V循环方式,对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明:多重网格算法可以显著加速悬停旋翼无粘流场的数值计算收敛速度;无论在激波分辨率还是在计算精度上,Roe s FDS格式都优于JST格式。     

基于非结构嵌套网格和逆风格式的旋翼悬停流场数值模拟

为更好地计及桨叶间相互影响,同时捕捉桨尖附近的流场细节,发展了一套非结构运动嵌套网格方法,并针对关键的贡献单元搜寻问题提出了一种高效的搜索方法.为了可方便地扩展到前飞状态的计算,同时为提高旋翼流场涡量的捕捉精度和效率,采用双时间法求解惯性坐标系下的非定常N-S主控方程,空间方向上使用二阶迎风格式,在此基础上,将不同精度格式的计算结果与试验值进行对比,并讨论了桨尖形状变化对旋翼气动特性的影响,结果表明本文建立的CFD方法对旋翼悬停流场的模拟是很有效的.     

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.     

基于高阶逆风通量差分裂格式的直升机旋翼前飞流场模拟

描述了三维雷诺平均NS方程数值模拟前飞状态旋翼非定常流场的方法和模型.在该模型中,将三阶逆风格式(MUSCL)与通量差分裂方法相结合,无需添加人工粘性,因而可有效地减少Jameson二阶中心差分有限体积法导致的旋翼尾迹数值耗散.为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响和计入桨叶的旋转、挥舞、变距运动,发展了一种运动嵌套网格.针对嵌套网格中关键的贡献单元搜寻问题,提出了一种新的"伪贡献单元搜寻法".应用上述方法,对Caradonna模型旋翼在周期变距和挥舞运动条件下的前飞流场进行了计算,与采用Jameson二阶中心差分方法相比,计算结果更贴近实验值.并针对几种不同桨尖形状的旋翼前飞流场进行计算,表明后掠桨尖可有效减弱超临界流动.     

压气机转子叶片的气动弹性数值模拟

采用了交替迭代算法,对某压气机转子叶片进行了气动弹性数值模拟.自行开发了基于有限元的结构求解器用于结构动力学求解,引用他人开发的非定常流体求解器用于气动力的求解.结构求解器提供叶片的表面位移给流体求解器以改变流场,流体求解器提供气动载荷给结构求解器来计算叶片的变形,界面处理系统在这两个求解器之间进行信息传递.算例表明,这种交替迭代算法在气动弹性数值模拟中是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

先进直升机旋翼悬停状态气动性能计算

 为更好地模拟先进直升机旋翼流场,同时准确计算其悬停状态的气动性能,建立了一套基于Navier-Stokes/Euler方程的混合CFD方法。该方法的求解域由两部分组成：一是围绕旋翼桨叶周围的黏性区域,采用可压缩Navier-Stokes方程来模拟旋翼附近的黏性流动和近场尾涡的捕捉;二是离桨叶较远、黏性可以忽略的远场区域,用Euler方程来描述其流动。在该方法中,将三阶逆风格式（MUSCL）与通量差分分裂方法相结合,无需添加人工黏性,因而可有效地减少旋翼尾迹数值耗散。?阌诹鞒》智蠼庖约爸芷谛员呓缣跫氖凳?采用了嵌套网格方法,并给出旋翼网格与背景网格交界面的信息传递方式。应用所建立的计算方法,首先对二维翼型、三维M6机翼的流场进行了数值模拟,以验证计算方法;然后,着重计算了有实验结果可供对比的具有先进气动外形的HELISHAPE 7A模型旋翼和UH-60A直升机旋翼,通过计算得到旋翼表面压力分布、桨叶展向拉力系数分布、桨叶表面细节流动以及气动性能等,进一步验证了该方法的有效性。     

旋翼气动力数值模拟准确度影响因素计算

针对旋翼气动力CFD计算时的一些常见影响因素的选择问题,进行了数值计算讨论.计算求解器选择自研代码,该代码采用基于共享内存(OMP)的并行化方法,在嵌套网格系统下求解Navier-Stokes方程,空间方向上使用2阶迎风格式,时间方向采用双时间方法.讨论的问题包括背景网格数目对悬停桨尖涡捕捉、对前飞状态激波捕捉和气动力的影响,远场动量理论修正作用对计算结果影响等.对于讨论的不同网格数目情况下,计算的悬停状态旋翼拉力差异在6%左右,扭矩差异2.6%左右,旋翼前飞阻力和扭矩最大差异为2.58%和3.28%.是否采用动量修正旋翼拉力相差3%~5%.通过计算,给出了针对以上因素计算结果差异的范围,可以为旋翼气动力计算工作提供一定的参考.      

A coupling VWM/CFD/CSD method for rotor airload prediction

A coupling fluid-structure method with a combination of viscous wake model(VWM),computational fluid dynamics(CFD) and comprehensive structural dynamics(CSD) modules is developed in this paper for rotor unsteady airload prediction. The hybrid VWM/CFD solver is employed to model the nonlinear aerodynamic phenomena and complicated rotor wake dynamics;the moderate deflection beam theory is implemented to predict the blade structural deformation; the loose coupling strategy based on the ‘delt method' is used to couple the fluid and structure solvers.Several cases of Helishape 7A rotor are performed first to investigate the effect of elastic deformation on airloads. Then, two challenging forward flight conditions of UH-60 A helicopter rotor are investigated, and the simulated results of wake geometry, chordwise pressure distribution and sectional normal force show excellent agreement with available test data; a comparison with traditional CFD/CSD method is also presented to illustrate the efficiency of the developed method.     

旋翼有限地面效应的理论建模和试验

针对有限地面对旋翼产生的地面效应现象,建立了一种新的流场分析模型。根据有限地面效应问题计算量大、对旋翼流场影响不均匀的特点,使用3阶精度、高稳定性的时间步进自由尾迹格式对旋翼尾迹结构进行分析,并提出了"物质线"修正法对穿过有限地面的非物理运动尾迹节点进行了位置修正。同时开展了有限地面效应中悬停和前飞状态下的旋翼气动力测量试验,对该状态下的旋翼力和桨叶挥舞运动特点进行了测量。将新建立模型的计算结果与试验值进行对比,验证了模型的准确性。根据计算模型得到的旋翼尾迹结构,对有限地面效应中多种飞行状态下的旋翼流场进行了分析。     

基于遗传算法与响应面模型的压气机叶片气动优化设计

1引言由于叶轮机械内部复杂的三维流动,各种波涡结构的广泛存在,吸引了众多学者对其进行了积极的探索与研究。CFD作为可靠省时的设计手段之一,在叶轮机械气动设计的过程中显示了其卓越的性能[1~3]。June Chung和Lee K i D[4]采用基于梯度法的优化程序,以绝热效率为目标函数对NA