直升机主,尾桨自由尾迹相互干扰的数值模拟

本文给出了一种新的旋翼和尾桨干扰的数值计算了方法,通过对常值直升机肇翼和尾桨自由尾迹相互干扰的数值模拟,给出了干扰对旋翼和尾桨非定常气动力以及相应的非定常尾迹几何形状的影响,数值结果表明,悬停时尾桨叶面非定常压力脉动主要是由于在旋翼下洗流的诱导下,尾桨与其自身尾涡于干扰引起的,随着旋翼和尾桨间距的增加,旋翼对尾桨气运特性的影响逐渐减弱。     

涵道尾桨的CFD模拟与验证

采用CFD(计算流体力学)方法分析在悬停和侧飞时直升机涵道尾桨的流场与性能。在轴对称的圆柱坐标系中,用有限容积法和SIMPLE(压力耦合方程的半隐式法)算法求解定常不可压的湍流N-S方程。在分析中,旋转的螺桨被描绘成沿螺桨桨叶展向分布的、与本地流动参数相关的、时间平均的动量源项,通过在N-S方程中加入此动量源项来替代螺桨对流体的作用。计算方法还包括涵道壁的阶梯型近似,原始变量的交错网格,k-ε湍流模型和涵道壁上的壁面函数法等措施。涵道尾桨的流场分析和性能预测同实验测量数据的良好的一致性表明,这种CFD方法可以有效的分析涵道尾桨的具体设计问题。      

尾桨倾斜对直升机飞行性能的影响

自从20世纪70年代美国西科斯基公司在黑鹰上成功采用倾斜尾桨构型方案后,30多年来,先后又有CH53E、S92、AB139等多种大、中型运输直升机采用倾斜尾桨构型,本文主要分析尾桨倾斜对直升机飞行性能的影响,并以某样例直升机为例进行了两种尾桨构型方案飞行性能的对比计算,同时也对倾斜尾桨和常规尾桨设计方案的优缺点进行了讨论.     

直升机尾桨轴疲劳试验技术研究

尾桨轴为直升机传动系统中的关键部件,疲劳破坏为其主要的失效模式。本文结合某直升机尾桨轴的疲劳试验,介绍了疲劳试验设计、试验实施方案设计的工作内容和方法。考虑试验的考核要求,对锥齿面啮合处约束边界进行工程简化,设计了防扭结构。将试验载荷分解到作动器上进行协调加载,实现旋转弯矩和剪力绕尾桨轴轴线的旋转,模拟了真实载荷的传递和分布。根据飞行谱和使用载荷确定低周疲劳载荷谱,并给出了既满足加载要求,又易于实现的加载方法。     

轻型直升机涵道尾桨的研究

本文简单介绍了轻型直升机涵道尾桨发展的情况,以欧直公司对新型涵道尾桨和 BELL 公司对 DTR尾桨所做的研究为例,阐述了影响涵道尾桨气动和声学性能的关键因素。     

直升机尾桨/尾梁耦合稳定性优化设计与试验验证

针对某型直升机尾桨/尾梁耦合稳定性进行分析,并根据分析结果进行动力学特性修改。通过灵敏度分析确定结构参数修改变量,并利用正交边界交叉法,以全机垂向一阶弯曲模态频率调整至需求值的同时付出最小重量代价为目标进行结构参数优化,最后进行了地面试验验证与地面开车验证。结果表明,在将尾梁蒙皮及过渡段底部长梁重量增加35.82kg的情况下,该模态频率调整至5.85Hz,基本满足直升机动力学工程设计要求。     

应用多块对接结构网格方法的直升机涵道尾桨气动特性分析

基于湍流Navier-Stokes方程,建立了一套直升机涵道尾桨流场及气动特性的CFD分析方法.在该方法中,针对直升机涵道尾桨流场的特点以及动量源方法对网格系统的要求,提出了一种多块对接网格生成方法,分块贴体网格采用求解Poisson方程的方法生成.通过结合涵道尾桨的运动方式、几何特征及气动特征,建立一个包含动量源项的N-S方程的涵道尾桨流场计算方法和迭代流程;为较好地捕捉涵道壁附近存在的旋涡及分离现象,采用了一方程S-A湍流模型.通过对ONERA M6机翼的绕流特性的计算分析,以及对涵道尾桨在悬停状态下的拉力、诱导速度、载荷分布等的计算分析,验证了该CFD方法的有效性.在此基础上,采用该方法进行直升机悬停、侧飞和前飞状态下涵道尾桨流场与气动特性的数值分析,得到了关于涵道尾桨流场和气动特性的一些有意义的结论.     

直11型机尾桨变距拉杆故障分析与处理

直11型直升机交付用户在外场使用时,出现两类尾桨变距拉杆上端关节轴承从拉杆本体中脱出的故障。鉴于该故障将严重影响直升机的使用安全,为此,设计和制造部门通过对故障出现的原因进行分析和充分的试验,采取了相应的措施。这些措施经装机试飞验证取得了很好的实施效果。     

某型直升机涵道尾桨的固有频率区间估计

研究具有不确定复合材料参数的某型直升机涵道尾桨的固有频率。基于区间数学,将不确定复合材料参数用区间定量化,结合有限元刚度矩阵和质量矩阵的参数分解模型提出了一种估计其固有频率的区间参数顶点法。尾桨的建模、计算及后处理工作均是在大型工程分析软件ANSYS8.0中完成的,结果表明了区间分析方法的实用性和有效性。     

基于Fw-H方程的直升机尾桨与涡线干扰噪声分析

本文通过对直升机尾桨噪声的机理进行分析,建立了尾桨与涡线干扰噪声的计算模型.计算模型中包括气动计算和声学计算,气动计算的结果作为声学计算的输入量.气动计算中分别采用三维非定常面元法计算桨叶表面压力和有扰动薄翼理论计算涡线干扰下桨叶的压力增量;声学计算中采用推导自FW-H方程的Farassat 1a公式,获得声压的时间历程.通过算例分析得到了一些有意义的结论.     

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。     

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

尾桨转速对旋翼转速优化直升机操稳特性的影响

基于状态空间法建立了直升机的全量方程,通过计算直升机对航向操纵的脉冲响应及横向稳定性特征根,分析了两种尾桨转速方案对旋翼转速优化直升机的横航向操稳特性的影响。计算结果表明,与尾桨转速不随旋翼转速变化方案相比,虽然尾桨转速随旋翼转速联动时的直升机横航向操纵性减小了一些,稳定性也轻微降低,但差异较小。因此综合比较功率节约和结构减重的优势,可以确定转速联动方案更适用于旋翼转速优化直升机。     

无人直升机模型体系设计

基于动量理论、叶素理论与FLIGHTLAB软件,为样例无人直升机建立了模型体系,该模型体系包括直升机对象的三个数学模型:动量模型、叶素模型与FLIGHTLAB模型.动量模型主要用于对象性能初步分析与控制系统初步决策;叶素模型主要用于控制系统设计;FLIGHTLAB模型主要用于动量模型与叶素模型的对比、分析与修正,构成了直升机模型体系,通过仿真与飞行试验,该模型体系效果较好,置信度高.     

侧风下孤立尾桨的气动特性和抗侧风优化

尾桨涡环严重危害了直升机飞行安全,为探讨涡环对桨盘附近诱导速度场的影响和解释桨叶拉力非定常脉动的原因,构建了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的尾桨涡环数值计算方法,并结合叶素动量理论和圆线涡环模型进行气动分析。同时,为解决当前翼型优化中广泛使用的冻结湍流黏性假设存在的固有缺陷,建立了一套全湍流连续伴随的翼型优化框架,获得的翼型用于尾桨设计以提高尾桨抗侧风能力。结果表明,桨盘附近诱导速度场对侧风入流速度十分敏感,在典型涡环状态下,14.65 m/s侧风导致涡环的涡强增大且不断改变,引发翼剖面的有效攻角随桨盘附近风速动态减小,进而尾桨拉力下降至原有的58.5%并伴有高频脉动。全湍流连续伴随在最优外形的获取上则要领先于冻结湍流黏性假设,最佳翼型获得的尾桨相较于原始尾桨的拉力提高了10.9%,悬停效率提高了3.9%,扩大了尾桨进入涡环的临界侧风速度。     

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.      

模型旋翼风洞试验中变距拉杆载荷的测量

桨叶变距拉杆操纵载荷是旋翼设计的重要参数之一。在参考了常规飞机模型风洞试验测力元件及国外测量方法的基础上,研制了具有足够刚度和强度,且有较高载荷灵敏度的新式变距拉杆测力元件,解决了高刚度与高的载荷灵敏度要求这一矛盾。同时采用了信号放大技术,将其成功地应用于旋翼模型试验,并获得了操纵载荷这一重要参数。     

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。