旋翼变体技术对直升机性能的提升

为研究旋翼变体技术对直升机性能的提升作用,先建立旋翼模型,然后耦合机体模型,从而建立直升机需用功率计算模型.主要对比了几种不同旋翼变体技术,包括旋翼变直径、旋翼变转速、桨叶变弦长和桨叶变负扭转角在不同飞行状态时对直升机需用功率的影响.前飞速度为130km/h时,10%旋翼转速减小、10%旋翼直径减小、10%桨叶弦长减小和桨叶负扭转角由-12°变为-6°时,需用功率分别降低了15.7%,14.6%,5.8%和3.1%;前飞速度为250km/h时,10%旋翼转速减小和10%旋翼直径减小可分别降低14.5%和23.9%需用功率.结果表明,旋翼变转速明显优于桨叶变弦长和桨叶变负扭转角所取得的性能提升,高速前飞时旋翼变直径降低的需用功率大于旋翼变转速技术.      

直升机舰面动力学分析模型

建立了舰船甲板上直升机旋翼,机体耦合动力学分析模型,导出了其运动方程。无铰旋翼采用当量铰、刚硬桨叶模型,采用准定常理论计算桨叶气动力并计人旋翼动力人流的影响;假设机体是刚性体并在弹性起落架上作六自由度运动。舰船具有6个运动自由度,并考虑直升机在甲板上的不同位置及舰面流场等因素。     

舰船甲板气流场对人员作业安全性影响分析

舰船海上航行时，甲板上的直升机旋翼尾流和舰面流场相互掺混形成了复杂的流场，这不仅会影响直升机的安全起降，同时也会对甲板作业人员的安全性造成影响。本文首先开展了流场中的人体模型数值模拟，分析了不同风速下的人体受力情况，提出了影响人员作业安全的风速范围。之后开展了西北风级、戴高乐号、伊丽莎白女王号及美国号四艘舰船的气流场仿真，依据风速范围对各舰船甲板人员安全性进行了分析，总结出作业危险区域及形成原因。在此基础上，开展了直升机进舰耦合流场计算、直升机舰面降落耦合流场计算以及舰面多机降落耦合流场计算，并对直升机进舰降落过程中甲板高速气流场以及多机降落过程中的高速气流场进行了分析，总结了甲板面人员作业危险区域。     

直升机旋翼桨叶防/除冰系统防护范围研究

直升机主旋翼桨叶在结冰气象条件下有结冰的危险, 为了满足直升机全天候仪表飞行的要求, 必须对桨叶采取结冰防护.本文针对某翼型直升机桨叶, 通过分析表面各项热流, 计算表面温度为零时极限结冰状态的临界速度, 确定了桨叶展向结冰防护范围为沿展向从翼根到翼尖0～95%;采用分析水滴在气流场中运动的拉格朗日法计算水滴撞击特性, 确定桨叶弦向结冰防护范围为上表面12%, 下表面33%.在此基础上对桨叶表面加热形式和结构进行设计, 可为直升机旋翼桨叶防/除冰系统设计奠定基础, 此研究具有重要的实用价值.      

DDES方法在复杂旋翼流场计算中的应用

应用延迟脱体涡模拟（DDES）方法,进行了复杂分离流动旋翼流场的数值模拟研究。为控制计算规模,更好地模拟旋翼桨叶近壁面附近区域流动分离及远场尾迹发展,采用了贴体与背景自适应直角网格嵌套的网格系统;同时为提高计算速度,采用了基于分布式存储的数据并行模式,实现了贡献单元搜索、洞切割和流场计算的并行化。计算工作包含一个共轴双旋翼悬停和单旋翼下降状态,目的是分别讨论DDES方法在旋翼表面附近空间区域是否存在大范围分离时计算结果与雷诺平均Navier-Stokes结果之间的差异。计算表明,对于下降状态,DDES方法预测出了更强的尾迹区分离流动;对于桨叶表面基本为附着流动的双旋翼中等桨距角情况,两种方法预测的流场结构相似,仅在下旋翼桨叶气动力和旋翼桨根下方空间区域的诱导速度计算结果上存在微细差异。     

纵列式直升机双旋翼流场特性的自由尾迹分析

将旋翼尾迹模型与旋翼配平模型进行耦合求解,建立了一个分析纵列式双旋翼流场的迭代计算方法.为充分模拟双旋翼的干扰影响及桨尖三维效应,使用了畸变的自由尾迹模型,桨叶模型则采用升力面/涡格方法.应用该耦合方法,计算分析了纵列式直升机双旋翼在干扰状态下的尾迹结构及旋翼重叠区域的流场特性,并与单旋翼做了比较.计算表明,悬停时,纵列式双旋翼重叠区下方的下洗速度大于单副旋翼的诱导速度,但小于两副旋翼诱导速度的简单迭加;前飞时,随飞行速度的增大,尾迹重叠区域减小,两副旋翼相互间的干扰也逐渐减弱.     

直升机/舰船耦合流场的数值模拟

发展了一套基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的直升机/舰船耦合流场数值模拟方法,采用ROEMUSCL格式对交接面通量进行重构,并采用k-ε湍流模型以提高对涡流场的捕捉精度,直升机旋翼等旋转部件的模拟使用动量源模型。然后,以具有典型驱护舰结构的LPD-17及ROBIN直升机的组合为研究对象,从涡量场、速度场及压力场等方面分析了直升机、舰船耦合情形下的流场特征。研究表明,当来流速度V_∞≥4m/s时,舰船流场进入雷诺数自准区,流场速度无因次化量基本保持不变;直升机着舰时,旋翼会与舰船艉部的涡回流区以及甲板两侧的舷涡发生较强的"涡-涡干扰",在上述干扰以及舰面效应的共同作用下,旋翼拉力产生显著的振荡,并呈现出先减小、后增大的变化特征;当着舰位置向舰尾移动时,艉部回流区的影响减弱,旋翼拉力振荡幅度相应减小。最后,对全机状态下的耦合流场进行了模拟,结果显示机身和尾桨对舰艉流场的主要结构影响较小,可用旋翼/舰船耦合流场来进行直升机安全着舰分析,这将显著缩短计算时间。     

高速直升机旋翼反流区桨叶剖面翼型气动特性CFD分析

随着直升机飞行速度的提升,旋翼的反流区域逐渐增大。以某直升机旋翼模型为例,利用CFD方法对旋翼反流区桨叶不同剖面翼型的气动特性进行了分析,得到旋翼桨叶不同剖面翼型的气动力、压力系数和周围流场变化情况,对它们的流动机理进行了简单的探究。通过对比分析,得到了反流区桨叶剖面气动特性的一些规律。同时初步研究了翼型后缘钝化处理对改善反流特性的影响。     

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.      

考虑遮蔽区影响的旋翼三维水滴撞击特性计算新方法

针对直升机旋翼三维黏性流场特有的复杂环境,建立了一种基于欧拉法的旋翼三维水滴撞击特性计算的新方法。首先,在旋翼桨叶嵌套网格的基础上,发展了一套用于预测旋翼绕流流场的计算流体力学(CFD)模拟方法。然后,为克服传统直升机旋翼二维水滴撞击特性计算方法的不足,充分考虑旋翼流场的三维效应,在嵌套网格中基于欧拉法求解旋翼三维水滴撞击流场。其中,为解决尾流等区域的密度脉冲现象所引起的稳定性和收敛性问题,提出并建立了遮蔽区扩散模型。该模型通过判断遮蔽区变量,在计算域中动态生成遮蔽区域,并随迭代步数逐渐扩散。最后,通过与NACA0012翼型及国外UH-1H桨叶的试验和计算结果的对比,验证了旋翼三维水滴撞击特性计算新方法的可靠性,并进行了温度和水滴当量直径(MVD)对旋翼三维水滴撞击特性的影响分析。结果表明:遮蔽区扩散模型的加入,使二维情况的计算时间减少了22%,并增加了三维情况的计算稳定性,显著提高了旋翼三维水滴撞击特性的计算效率;沿着旋翼桨叶展向位置增大的方向,旋翼桨叶剖面水滴撞击范围有所增大,最大水滴局部收集系数呈先增加后减少再增加的变化趋势,其变化幅度接近50%;旋翼桨叶表面的水滴撞击区域和水滴局部收集系数随水滴当量直径的增加而增加。     

风切变场中直升机的稳定性和操纵性研究

研究了无铰直升机在风切变场中的稳定性和操纵性.采用挥舞-变距-扭转耦合的旋翼动力学模型、广义涡流理论所导出的诱速分布模型、以及风切变的线性模型,来建立直升机在风切变场中的分析模型.通过对直升机动稳定性特征根和风切变场中的操纵响应的计算,对风切变场中直升机的响应做了初步分析.     

直升机复合材料国产化桨叶剖面特性的分析

由于国产复合材料性能较进口复合材料有较大变化,根据替代前后桨叶的动力学特性基本不变的原则对原桨叶结构进行了调整。采用薄壁梁横截面剪流相等的原理推导了桨叶扭转刚度的计算公式,基于挥舞刚度、摆振刚度、质量分布的定义得到了迭代公式。对某直升机替代前后桨叶的剖面特性进行了计算。结果表明：替代前后桨叶的扭转刚度、挥舞刚度、摆振刚度及单位长度质量分布完全一致,说明替代前后桨叶的剖面特性有很好的一致性。     

Modern helicopter rotor aerodynamics

The helicopter rotor wake is among the most complex fluid dynamic structures being three dimensional and in many cases unsteady. The wake begins at the blade(s) where the flow can be transonic near the blade tip and undergo compressible dynamic stall. Farther down in the wake, the flow is essentially incompressible. Moreover, the rotor blades undergo complex unsteady motions because of the necessity to balance moments; they are elastic as well. In this paper, the fundamental aeromechanics of the wake and the flow on the blade is discussed and the primary methods of analysis, computation, and experiment employed to uncover the physics of the rotor wake are described.     

直升机的气动弹性问题

直升机的气动弹性问题与固定翼飞机不同,不仅要考虑单片桨叶,更要将旋翼视为一个整体,考虑其动态入流、尾迹影响以及旋翼与机身之间的相互耦合等。就单片桨叶而言,在结构动力学上,需要考虑离心力场、几何非线性以及桨叶的非线性挥舞-摆振-扭转耦合;在气动力上,需要考虑动态入流以及桨尖处可能的失速效应,本质上属于非线性气动弹性力学范畴。由于旋翼气动力通常是以周期形式通过旋翼轴传给机身,并引起机身振动,而机身运动又通过改变桨叶根部形态反过来影响旋翼的气动弹性特性,这种旋翼/机身耦合问题,也是近年来直升机气动弹性问题研究中的重要方向和热点之一。此外,随着旋翼流场数值分析方法的日趋成熟,采用动态重叠网格或滑移网格方法来实现桨叶运动,并通过动网格技术来实现桨叶的弹性变形,从而实现弹性旋翼流场的数值模拟,目前正呈现出勃勃生机,成为直升机气动弹性研究的又一重要方向和热点。随着各种新构型直升机的相继出现,如倾转旋翼机、前行桨叶概念旋翼(ABC)直升机和复合式直升机等,也带来了新的气动弹性问题。不断发现问题、解决问题,推动本学科持续发展,永远是气动弹性工作者终身奋斗的目标。     

某型登陆舰的舰面流场仿真与分析

舰载直升机是登陆舰实现"垂直登陆"的主要武器,研究舰面流场特性对直升机安全性能与操纵性都有重要意义。建立了某型登陆舰的三维模型,以风向角为30°,风速为15m/s的流场为例,通过数值仿真得到了飞行甲板上方的气流分布,经分析机库陡壁效应引起的下冲气流分量在机库后方形成了涡流区,在直升机的起降过程中应避免通过该涡流区,以保障直升机的安全起降、平稳飞行。     

用测量的叶片表面非定常压力预估直升机旋翼桨涡干扰（BVI）噪声

利用最新发展的直升机旋翼气动声学程序计算了某模型旋翼桨涡干扰（ＢＶＩ）噪声,叶片表面非定常压力脉动数据由最新实验获得。计算的声压时间历程和指向性与实验结果符合得非常好     

近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其诱导速度

本文用一简化自由涡模型模拟旋翼尾涡系,用一简单涡模拟地面涡,对近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其引起的诱导速度变化作了研究。在地面涡和地面的影响下,桨盘附近的尾涡几何位置发生很大变化,导致桨盘处的诱导速度发生很大变化。尾涡畸变在桨盘处引起的诱导速度变化远远大于地面涡和地面在桨盘处直接产生的诱导速度。考虑尾涡畸变后计算出的诱导速度在桨盘处的分布和实验符合很好。     

A fully automated framework for helicopter rotor blades design and analysis including aerodynamics,structure, and manufacturing

This study describes an integrated framework in which basic aerospace engineering aspects (performance, aerodynamics, and structure) and practical aspects (configuration visualiza-tion and manufacturing) are coupled and considered in one fully automated design optimization of rotor blades. A number of codes are developed to robustly perform estimation of helicopter config-uration from sizing, performance analysis, trim analysis, to rotor blades configuration representa-tion. These codes are then integrated with a two-dimensional airfoil analysis tool to fully design rotor blades configuration including rotor planform and airfoil shape for optimal aerodynamics in both hover and forward flights. A modular structure design methodology is developed for real-istic composite rotor blades with a sophisticated cross-sectional geometry. A D-spar cross-sectional structure is chosen as a baseline. The framework is able to analyze all realistic inner configurations including thicknesses of D-spar, skin, web, number and ply angles of layers of each composite part, and materials. A number of codes and commercial software (ANSYS, Gridgen, VABS, PreVABS, etc.) are implemented to automate the structural analysis from aerodynamic data processing to sec-tional properties and stress analysis. An integrated model for manufacturing cost estimation of composite rotor blades developed at the Aerodynamic Analysis and Design Laboratory (AADL), Aerospace Information Engineering Department, Konkuk University is integrated into the framework to provide a rapid and dynamic feedback to configuration design. The integration of three modules has constructed a framework where the size of a helicopter, aerodynamic performance analysis, structure analysis, and manufacturing cost estimation could be quickly investigated. All aspects of a rotor blade including planform, airfoil shape, and inner structure are considered in a multidisciplinary design optimization without an exception of critical configuration.     

应用声发射检测复合材料桨叶疲劳损伤的技术研究

随着材料技术的发展，复合材料在直升机上运用越来越广泛。由于复合材料的损伤模式与金属材料有很大的区别，因此，了解复合材料破坏判据对复合材料零部件的定寿具有决定性的作用。本文介绍了声发射技术的基本理论、应用现状和声发射技术在复合材料桨叶疲劳试验中的应用研究。     

Forced aeroelastic oscillations of a rotating anisotropic helicopter main rotor blade at hovering

Aeroelastic oscillations of a rotating blade as a thin-walled beam with restrained strains of bending, transverse shear, and torsion are considered. Aerodynamic loads on the blade performing the forced harmonic oscillations at helicopter hovering are determined according to the nonstationary theory of a two-dimensional flow past blade cross-sections without taking into account the vortex wake of other main rotor blades. The influence of blade anisotropy on its dynamic and propulsive characteristics is estimated in the case of prescribed variation of the root section angle of twist.