悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理

基于运动嵌套网格方法,建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼非定常干扰流场分析的计算流体力学(CFD)方法。首先,基于高效的运动嵌套网格技术,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型,时间推进采用双时间方法。在CFD方法的验证基础之上,对干扰过程中的桨尖涡涡核位置及强度演变规律进行了细致分析,揭示了共轴双旋翼非定常干扰流场中上、下旋翼桨尖涡与双旋翼桨叶之间的贴近干扰、碰撞现象,以及上、下旋翼桨尖涡之间的相互干扰机理。然后,进一步研究了不同总距角下的共轴旋翼系统中上、下旋翼的非定常气动特性以及影响规律。计算结果表明:上旋翼桨叶的桨尖涡会直接与下旋翼桨叶发生碰撞,导致下旋翼桨叶拉力损失;上旋翼桨叶的桨尖涡和下旋翼桨叶的桨尖涡相互干扰,改变了桨尖涡的强度和轨迹;上、下旋翼桨叶相互靠近时,上、下旋翼桨叶的拉力均会上升,之后相互远离时上、下旋翼桨叶拉力均会先下降再上升。     

共轴刚性双旋翼/机身干扰流场数值模拟

采用滑移网格技术求解Navier-Stokes (RANS)方程的方法,研究了共轴刚性双旋翼/机身的干扰问题。通过Caradonna-Tung旋翼、Robin直升机、Maryland直升机旋翼/机身干扰和Harrington 2共轴双旋翼等算例,验证了所提出的旋翼流场数值模拟方法的正确性。在此基础上,以Maryland机身为原型,分析了不同桨距的共轴刚性双旋翼与机身之间的干扰特性。结果表明:所提出的数值模拟方法能够很好地模拟共轴刚性双旋翼/机身的气动干扰特性;由于机身对于共轴刚性双旋翼下洗流场的阻滞作用,旋翼的悬停效率增加5%左右,并且随着拉力系数的增大使得悬停效率的增量更加明显;旋翼的悬停效率增加主要来源于下旋翼0°方位角附近的桨叶升力系数的增大,并且拉力系数的增量由桨根向桨尖方向逐渐减小。      

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.     

旋翼近水面悬停状态气动特性分析

针对直升机在近水面区域飞行时的旋翼气动特性问题，基于RANS方程，结合流体体积(VOF)方法开展了旋翼水面效应流场的模拟分析研究。为提高水/气交界面的旋翼桨尖涡的捕捉精度，在背景网格区域采用了自适应网格方法，并通过与Caradonna-Tung旋翼试验结果的对比，验证了所提方法的可靠性。随后，基于该方法模拟了旋翼在地面、静水面、小幅波浪水面和大幅波浪水面4种工况下的地面/水面效应流场，对不同状态下的旋翼气动特性及水面干扰机理进行了细致讨论。结果表明：地面效应及水面效应下，旋翼桨尖涡更早向外扩散且桨叶中段的表面压强增幅比桨尖处更大，水面效应的强度要弱于地面效应；而波幅更高的波浪所引发的附着涡更容易改变桨尖涡的发展轨迹，增加桨尖涡的不对称性。     

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。     

共轴刚性旋翼气动干扰特性研究

建立了一个基于Navier-Stokes方程的共轴刚性旋翼气动特性分析方法。在该方法中,采用低数值耗散的ROE格式进行空间离散,高效的隐式LU-SGS格式进行时间推进;使用运动嵌套网格方法以计入双旋翼的反转运动;针对旋翼CFD方法配平耗时的问题,提出了一种基于差量修正的高效共轴旋翼配平策略。应用建立的方法,首先进行了2个共轴试验模型的计算,通过对比诱导速度分布和气动性能验证了方法的有效性。在此基础上,深入开展了共轴刚性旋翼悬停状态气动干扰效应和载荷特性的研究。结果表明:在扭矩平衡状态下,受气动干扰影响,上、下旋翼的总距和拉力存在差异,但差动总距以及拉力分配比几乎不随拉力系数变化;双旋翼气动干扰来自三个方面:"厚度效应"引起的瞬时脉冲干扰、"载荷效应"引起的持续扰动以及由上旋翼尾迹涡与下旋翼桨叶碰撞引起的垂直桨-涡干扰;干扰引起的非定常气动载荷具有周期特性,以N/rev(N为共轴刚性旋翼桨叶总数)为基准频率。     

基于自由尾迹和升力面方法的双旋翼悬停气动干扰计算

建立了一个同时适合于共轴式、横列式及纵列式直升机双旋翼气动干扰分析的计算方法。在该方法中,为更好地模拟气动干扰特性及桨尖三维效应,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,验证了计算方法的有效性。应用该方法,以横列、共轴、纵列式双旋翼为例,分别计算了悬停状态双旋翼的尾迹特性及诱导速度变化,给出了部分尾迹边界,并对计算结果进行了分析。最后,给出了几点结论。     

基于PIV技术的纵列式双旋翼尾迹特性实验研究

将现有单旋翼实验台进行改装,以适合于纵列式双旋翼的实验研究。基于PIV技术,针对悬停和前飞状态下的纵列式双旋翼时的桨尖涡特性进行了测量。通过改变前后旋翼的水平和轴向间距,调整两旋翼之间的重叠区域,研究了不同气动布局纵列式双旋翼干扰状态下的尾迹结构,并与单旋翼进行了对比。结果表明:悬停状态,随两旋翼纵向间距的增加,桨尖涡的轴向位移也逐渐增大,但桨尖涡径向位移并不是随纵向间距的改变而规律变化,在纵向间距为1.8R附近时最小;而双旋翼轴向间距的变化对桨尖涡的径向和轴向位移均有影响,但变化都不是很大。     

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。     

前飞状态旋翼尾迹测量试验研究

利用PIV技术,测量前飞状态旋翼尾迹的横向速度分布及桨尖涡在横向剖面里的运动轨迹,得到了前飞状态旋翼两侧的尾迹边界及桨尖涡在运动过程中的耗散特性等,研究了风速及拉力系数对前飞状态旋翼尾迹和桨尖涡运动轨迹的影响。结果表明：前飞状态下,旋翼左右两侧尾迹的涡量值基本相当。旋翼尾迹沿径向急剧收缩,沿垂向逐渐下降,下降高度与流向距离几乎呈线性关系。风速、拉力系数的变化对桨尖涡及其运动轨迹有显著的影响。获得的测量结果为开展旋翼流动机理研究及提高CFD分析精度提供了试验依据。     

总距突增时共轴式直升机瞬态操纵响应分析

从共轴双旋翼直升机的工程实际出发,建立了共轴式直升机上下旋翼非定常气动特性的计算模型.引入Leishman-Beddoes指数函数的半经验公式,建立了二维翼型非定常气动模型;分别从固定尾迹和自由尾迹,引入干扰因子到动态入流三种方法出发,建立了反映共轴双旋翼直升机上下旋翼气动干扰的诱导速度模型;从跷跷板式旋翼的挥舞动力学方程出发,利用4阶Runge-Kutta算法求解桨叶刚性挥舞角的数值解.通过计算分析,得到了悬停和前飞状态,总距突增时上下旋翼升力的动态响应特性,以及总距突增时上下旋翼桨叶铰链力矩的响应特性.      

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。     

倾转四旋翼飞行器垂直飞行状态气动特性

综合采用基于滑移网格技术的计算流体力学(CFD)方法与悬停状态气动干扰试验方法,对倾转四旋翼(QTR)飞行器垂直飞行状态的流场进行模拟与试验,研究飞行器垂直飞行状态气动特性以及部分参数对气动特性的影响.结果表明:倾转四旋翼飞行器在垂直飞行状态,前后旋翼之间干扰不明显,但旋翼与机翼的干扰明显;旋翼旋向对旋翼与机翼的干扰不...     

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。      

共轴式直升机上下旋翼之间气动干扰的风洞实验研究

 介绍了共轴式直升机在悬停和前飞时, 上下旋翼之间的气动干扰及干扰随前进比变化的情况。风洞实验结果表明, 悬停时, 在两旋翼的相互干扰中, 上旋翼对下旋翼的干扰较大, 拉力系数越大, 干扰相对增强。前飞时, 上旋翼对下旋翼的干扰减弱, 下旋翼对上旋翼的干扰增强。在前进比L = 0～0.05 之间, 上旋翼对下旋翼的干扰最大,L = 0.1 时, 下旋翼对上旋翼干扰最大,L = 0～0.1 之间, 两旋翼之间干扰较严重。     

共轴双旋翼非定常流场干扰特性

直升机共轴双旋翼相遇过程的非定常气动干扰在其周期性干扰中最为强烈。为了研究该过程中的干扰特征,建立了一个基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的气动干扰数值方法,双旋翼的反转运动采用运动嵌套网格进行模拟。为了探究双旋翼相遇时的气动干扰机理,以两个相对运动的双翼型系统来模拟双旋翼特定展向截面的非定常相遇过程。分析了双旋翼和双翼型相遇时的气动特性和流场特征,并对双翼型系统进行了参数影响研究,结果表明:双旋翼上下桨叶相遇时,上下旋翼拉力均会出现先增后减的变化趋势且波动幅值分别为其对应总拉力的30%和22%,双翼型系统的升力波动趋势与之相似;间距增大使上下翼型间的气动干扰减小,且上下翼型升力波动对间距变化的敏感时间不同;翼型相对厚度增大使双翼型升力波动幅值增大,并出现二次波动;有附加来流时,相对来流速度较小的翼型升力波动的幅值与范围更大。      

升力偏置对共轴刚性旋翼前飞气动特性的影响

为了分析升力偏置对共轴刚性旋翼前飞气动特性的影响，建立了基于雷诺平均Navier-Stokes方程的计算流体力学方法进行共轴旋翼流场求解，采用嵌套网格方法模拟桨叶运动，采用双时间方法进行时间推进。针对不同升力偏置状态，采用基于"差量法"的共轴旋翼高效配平策略进行操纵量配平。通过对Harrington-1旋翼性能的计算，验证了方法的有效性。对比计算了共轴刚性旋翼在不同前进比和升力偏置量下的气动性能和流场特征，结果表明：双旋翼操纵量在小前进比状态有明显差别，在大前进比状态基本一致；在相同拉力状态，随着升力偏置量的增大，共轴旋翼升阻比先升高后降低，其阻力却不断增大，不同前进比状态的最大升阻比对应的升力偏置量不同；双旋翼相遇时桨叶拉力出现脉冲式波动，由于流场被前行桨叶所主导，因此后行桨叶拉力波动幅值更大，且波动幅值随升力偏置量的增加而增大。     

旋翼桨尖涡模型及其在自由尾迹分析中的影响

 建立了一个旋翼桨尖涡初始涡核半径计算模型,用于消除旋翼自由尾迹分析中桨尖涡涡核半径依靠经验设定的现状。该方法利用涡量和涡矩守恒关系,考虑旋转效应的影响,并修正Vatistas涡量分布函数,得到了一个关于桨尖涡初始涡核半径与桨叶附着环量分布之间的非线性关系。将新建立的初始涡核模型同先前建立的涡核扩散与拉伸模型以微分方程初值问题的形式组成一个完整的桨尖涡模型,并将其应用于自由尾迹分析方法中,分别对两副模型旋翼的悬停尾迹进行分析。计算得到的桨尖涡初始涡核半径和展向位置与实验测量值的对比表明本文模型具有较高的准确性。此外,讨论了涡核湍流动量扩散效应在自由尾迹分析中的影响,分析表明该效应对自由尾迹分析的收敛性有重要影响。