剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究

建立了一个基于计算流体力学(CFD) /FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的预测剪刀式尾桨悬停状态气动性能和噪声特性的分析方法.该方法首先采用CFD方法对尾桨流场进行求解,并应用嵌套网格技术对流场空间进行离散.控制方程采用非惯性坐标系下的Navier-Stokes方程,空间方向采用二阶迎风格式(Roe格式)进行求解,时间方向采用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式进行推进.在此基础上,采用FW-H方程将尾桨噪声声压扰动传播至远场,以获得尾桨的噪声特性.应用该方法对两种剪刀式尾桨构型(“L”构型和“U”构型)进行了计算研究,对比分析了剪刀式尾桨在气动力和噪声方面与常规尾桨的差别,以及两个重要构型参数(剪刀角和轴向间距)对剪刀式尾桨气动力和噪声的影响规律.计算结果表明,构型参数对剪刀式尾桨气动力和噪声特性影响很大,合理地选择构型参数可以降低尾桨噪声水平.     

基于N-S方程的剪刀式尾桨前飞状态气动力计算研究

建立了一个适用于计算剪刀式尾桨前飞状态气动力的数值方法。在该方法中,采用惯性坐标系下的非定常Navier-Stokes方程作为主控方程,使用低数值耗散的Roe格式进行空间离散,并应用高效的隐式LU-SGS格式进行时间推进;采用双时间法以模拟尾桨前飞时的非定常现象;使用运动嵌套网格方法以计入尾桨桨叶的旋转运动。应用建立的方法,首先对有试验数据可作对比的Lynx直升机尾桨悬停状态气动性能进行了计算,验证了所建立方法对尾桨气动性能计算的有效性;同时,针对Helishape 7A旋翼进行了前飞状态气动载荷计算,验证了该方法对旋翼(尾桨)前飞气动载荷计算的有效性。最后,对剪刀式尾桨前飞状态进行了气动力计算,并分析了构型参数对剪刀式尾桨气动力的影响。计算结果表明,前飞状态时,相同总距下剪刀式尾桨的平均拉力要大于常规尾桨,且剪刀式尾桨在90°-180°-270°方位角内的桨-涡干扰现象较常规尾桨严重。     

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。      

基于CFD方法的直升机旋翼/尾桨非定常气动干扰计算

采用CFD方法针对直升机旋翼/尾桨气动干扰问题进行了数值计算研究.建立了一个适用于旋翼/尾桨干扰气动力计算的方法.在该方法中,控制方程采用三维非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,网格系统使用嵌套网格技术以计及旋翼和尾桨的相对运动.基于所建立的方法,分别计算研究了悬停状态、低速前飞状态以及巡航平飞状态时干扰状态的旋翼和尾桨气动力,并深入分析了尾桨旋转方向对干扰特性的影响.计算结果表明:旋翼对尾桨的气动干扰在各计算状态都存在,且干扰影响不总是负面的,这取决于飞行状态;而尾桨对旋翼的干扰作用则在悬停状态时较为明显,但在前飞状态时可忽略不计;尾桨旋转方向对尾桨气动力的影响较大,合理地选择尾桨的旋转方向可以改善其气动特性.      

旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算研究

针对旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算问题,将CFD方法与Farassat 1A(F1A)公式相结合,提出了一种适用于旋翼干扰下的尾桨气动噪声数值计算方法。首先,应用所提出的方法进行了噪声的算例验证,并与参考文献结果进行了对比;然后,着重针对悬停和前飞状态旋翼干扰下的尾桨噪声及气动特性进行了计算分析,并与孤立尾桨状态进行了对比。计算分析结果表明:悬停状态下,旋翼干扰下的尾桨气动噪声水平显著大于孤立尾桨;而在前飞状态,由于旋翼尾迹对尾桨桨盘平面产生更强的气动干扰,这一现象会更加明显;同时,在旋翼干扰作用下,尾桨噪声的主传播方向也会发生明显变化。     

直升机剪刀式尾桨气动特性的研究

对剪刀式尾桨的气动特性进行了实验和分析研究。描述了在模型旋翼台上进行的实验 ,给出了拉力和扭矩随剪刀角变化的实验结果 ,对比了“下旋翼在前”和“上旋翼在前”2种不同布置的影响。实验表明 :“下旋翼在前”布置时的拉力大于“上旋翼在前”布置时的拉力 ;在某些剪刀角布置下会导致较强烈的桨 -涡干扰。然后 ,建立了一个剪刀式尾桨气动特性计算的分析模型 ,并进行了验证。应用这个模型 ,计算了剪刀式尾桨的桨叶诱速分布、升力分布以及桨尖涡位移 ,解释了拉力随不同剪刀角布置而变化的实验结果和实验中出现桨 -涡干扰的原因。最后 ,提出了几点结论。     

共轴刚性旋翼气动干扰及操纵特性分析

建立了一套基于高效配平策略和嵌套网格技术的共轴刚性旋翼气动数值分析方法。流场求解采用雷诺平均Navier Stokes方程，空间离散采用Roe monotone upstream centered schemes for conservation laws（MUSCL）格式，湍流模型为Spalart Allmaras模型；配平计算中引入“差量修正”策略。分析了共轴刚性旋翼模型在不同飞行状态下的气动干扰现象和操纵特性。结果表明:所建立的配平方法在同等精度下，比传统方法可显著节省计算时间；共轴刚性旋翼间距较小，其气动干扰明显强于普通共轴旋翼；悬停状态下，由于受上旋翼下洗流影响，下旋翼总距较大但拉力较小；小速度前飞时气动干扰引起下旋翼气流不对称性增大，双旋翼周期变距差也变大；采用适当的升力偏置量，可以提高共轴刚性旋翼气动效率。      

基于涡环尾迹模型的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学建模

共轴刚性旋翼直升机上下旋翼间距小,旋翼间气动干扰较为复杂,影响飞行动力学特性。针对这一问题,利用涡环单元动态尾迹方法构建了共轴旋翼气动力模型,通过与风洞试验结果比对说明该模型能够准确地计算存在气动干扰时共轴旋翼的气动力特性。以该共轴旋翼气动力模型为基础,建立了共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,并以XH-59A直升机为研究对象,计算了前进比为0~0.4时的配平特性。通过与飞行试验数据的比对发现：该飞行动力学模型与飞行试验结果比对良好;且模型计算速度较快。通过对配平结果以及旋翼尾迹运动的分析发现：共轴刚性旋翼直升机旋翼间气动干扰会增加悬停和低速前飞时的配平总距和总距差动;低速前飞时的纵向周期变距负梯度现象是由于旋翼间气动干扰与刚性旋翼挥舞运动特性叠加而造成的。     

纵列式双旋翼悬停状态气动干扰特性参数影响分析

建立了一个纵列式直升机双旋翼气动干扰特性分析的自由尾迹迭代方法。在该方法中,考虑了双旋翼以及旋翼与尾迹之间的相互干扰影响,将旋翼尾迹模型、桨叶气动力模型以及旋翼配平模型进行耦合求解。同时给出了一个适合于双旋翼干扰计算特点的配平方法。计算了悬停时干扰状态下的双旋翼诱导速度分布以及旋翼性能,并与试验数据进行对比,验证了方法的有效性。应用上述方法,对比分析了纵列式双旋翼与单旋翼的性能,结果表明:悬停时纵列式前、后旋翼的性能都比单旋翼时的要差。文中进一步系统地分析了悬停状态双旋翼纵向间距和轴向间距对气动干扰特性的影响,结果显示:当纵向间距为1.3R时,纵列式双旋翼相比两单独旋翼需要额外的附加功率为8.5%,且随纵向间距的增大,附加功率减小并出现负值,当纵向间距为1.85R时,附加功率最小。     

直升机旋翼/尾桨/垂尾气动干扰计算研究

建立了一个基于计算流体力学(CFD)技术的直升机旋翼/尾桨/垂尾气动干扰分析方法。在该方法中,选取Navier-Stokes方程为控制方程,使用二阶迎风的Roe格式进行空间离散,并选取隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式进行时间推进,湍流模型为B-L(Baldwin-Lomax)模型;为了实现旋翼、尾桨和垂尾网格之间的流场信息交换,采用运动嵌套网格方法。应用所建立的方法,对Helishape 7A旋翼和Lynx直升机尾桨进行了算例计算,并与试验数据进行对比,验证了方法的正确性。着重针对旋翼/尾桨干扰特性进行了计算,并进一步计入垂尾的干扰,对垂尾/尾桨干扰以及旋翼/尾桨/垂尾干扰特性进行了研究,分析了旋翼、尾桨和垂尾相互干扰的规律。结果表明:对于不同的垂尾/尾桨构型,阻塞面积越大,对应的尾桨拉力也较大,但尾桨和垂尾获得的净拉力却减小,且不同阻塞面积下,推力式构型尾桨比拉力式尾桨具有更大的净拉力;然而,在前飞过程中,直升机垂尾对旋翼与尾桨干扰的影响很小。     

旋转机翼飞机旋翼模式前飞状态干扰气动特性

和传统直升机相比,旋转机翼（CRW）飞机在旋翼模式前飞时各部件之间存在更为严重的气动干扰。为了获得旋转机翼/机身/鸭翼/平尾之间的非定常气动干扰规律,基于运动嵌套网格技术,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程,建立了旋翼前飞流场数值模拟方法。首先对传统直升机旋翼/机身干扰模型进行了计算,验证了方法的可靠性,然后对某旋转机翼飞机全机在旋翼模式前飞状态下的非定常流场进行了数值模拟,并对各个气动部件上的非定常气动力和力矩的变化进行了分析。结果表明：飞机在旋翼模式前飞时,机身部件对旋转机翼的干扰较弱,在经过机身上方时拉力峰值仅略有增加;旋转机翼对鸭翼和垂尾干扰较弱,对机身和平尾干扰较强,随着前飞速度增大,旋转机翼对平尾的干扰会产生较大的升力损失和抬头力矩,需要引起重视。计算结果为该类飞行器的总体综合设计提供了参考。     

直升机旋翼功率传递系数确定方法

阐明了在现有的直升机性能计算中,旋翼功率传递系数总是假定为常数,这种处理方法具有很大的局限性。文章详细地介绍了从飞行力学的角度来确定直升机平直飞行时的旋翼功率传递系数。首先,通过飞行力学中的配平计算得到直升机在不同飞行速度下的旋翼和尾桨的需用功率;然后,用试飞实测方法确定除旋翼和尾桨外的功率损耗;最终,得到直升机在不同飞行速度下的旋翼功率传递系数。认为:由于旋翼、尾桨的需用功率由飞行力学的配平方法得到,其结果能合理地反映飞行状态和直升机尾部构型等因素对它们的影响,加上除旋翼和尾桨外的功率由试飞实测得到,因而文中所述的直升机旋翼功率传递系数能更准确地反映直升机的功率传递关系。     

Numerical Simulation of Rotor-aerodynamic Surface Interaction in Hover Using Moving Chimera Grid

Three-dimensional unsteady Navier-Stokes equations are numerically solved to simulate the aerodynamic interaction of rotor, canard and horizontal tail in hover based on moving chimera grid. The variations of unsteady aerodynamic forces and moments of the canard and horizontal tail with respect to the rotor azimuth are analyzed with the deflection angle set at 0° and 50°, respectively. The pressure map of aerodynamic surfaces and velocity vector distribution of flow field are investigated to get better understanding of the unsteady aerodynamic interaction. The result shows that the canard and horizontal tail present different characteristics under the downwash of the rotor. The canard produces much vertical force loss with low amplitude fluctuation. Contrarily, the horizontal tail, which is within the flow field induced by the down wash of the rotor, produces only less vertical force loss, but the amplitudes of the lift and pitching moment are larger, implying that a potential deflection angle scheme in hover is 50° for the canard and 0° for the horizontal tail.     

直升机旋翼功率传递系数确定方法

提出了一种确定直升机平直飞行时旋翼功率传递系数的方法;首先,通过飞行力学中的配平计算得到直升机在不同飞行速度下旋翼和尾桨的需用功率;然后,用试飞实测方法确定除旋翼和尾桨外的功率损耗;最终,得到直升机在不同飞行速度下的旋翼功率传递系数。结果表明：由于旋翼、尾桨的需用功率由飞行力学的配平方法得到,能合理地反映飞行状态和直升机尾部构型等影响因素,加上除旋翼和尾桨外的功率由试飞实测得到,因而文中所述的直升机旋翼功率传递系数能更准确地反映直升机的功率传递关系。     

基于干扰距离控制的直升机桨-涡干扰噪声降噪方法

提出了一种适用于直升机旋翼桨-涡干扰距离计算的方法。针对桨-涡干扰距离计算中必需的旋翼桨盘入流及桨盘倾角,又分别建立了旋翼耦合N-S （Navier-Stokes）/自由尾迹模型和桨盘配平模型进行求解,其特点是兼顾计算精度和计算效率;并从悬停、前飞两方面验证了方法的有效性。应用所建立的桨-涡干扰距离计算方法,着重分析了直升机纵向平面力以及飞行参数对旋翼桨-涡干扰距离的影响机理,并进一步计算了不同纵向平面力作用下的旋翼地面声场特性及影响规律。结果表明:合理施加纵向平面力、加速度等措施后,地面最大噪声降低约4dB。同时,还通过研究桨-涡干扰距离与飞行参数的影响关系,得到了一些对直升机低噪声飞行具有实际指导意义的结论。