桨尖下反对旋翼BVI噪声特性的抑制分析

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,分析研究了新型下反桨尖对前飞状态旋翼桨/涡干扰(Blade-vortex interaction,BVI)噪声特性的影响。首先,通过求解Navier-Stokes方程获得准确的噪声声源信息,湍流模型采用一方程S-A模型。采用双时间法进行时间推进,为了提高流场的收敛速度,在伪时间方向上使用高效的隐式LU-SGS格式推进,并采用并行算法进行加速。然后,在获得的可靠声源信息基础上,采用基于FW-H方程的Farassat 1A公式求解噪声。对有试验结果的算例进行了对比计算分析,验证了本文噪声预测方法的有效性。在此基础上,针对具有典型BVI噪声特征的前飞斜下降状态,开展了不同下反角度桨尖新型旋翼噪声辐射特性的计算分析,通过噪声辐射球的对比结果表明,选择适当的下反桨尖,可以有效地降低前飞斜下降状态下旋翼BVI噪声,从而达到较好的旋翼噪声抑制效果。     

带先进桨尖的模型旋翼悬停噪声计算与试验

为进行旋翼噪声水平对比,在全消声室开展了3副不同下反角桨尖模型旋翼噪声试验研究,完成了悬停状态下不同总距和不同观测点上的噪声测量试验,获得了多组噪声数据。数值计算方面,以RANS方程为主控方程求解旋翼流场气动信息,在获取精确声源信息的基础上,基于FW-H方程进行噪声计算和分析。在相同的状态下,计算结果与试验结果显示出较好的一致性,表明了本文数值方法的准确性。最后,根据试验结果,对比分析了不同下反角桨尖对旋翼气动 噪声特性的影响规律。     

共轴刚性旋翼气动干扰数值计算方法

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)描述的可压缩Navier-Stokes(N-S)方程求解流场,采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平,引入"差量修正"策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先,对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算,然后,对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算,并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内,扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度,可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。     

直升机机身对旋翼气动干扰的计算

建立了一个全耦合的机身对旋翼气动干扰的迭代计算方法。在该方法中，使用自由涡系模型代表旋翼对干扰流场的影响，使用三维面元模型替代机身的作用，并采用了一个基于“分析数值解匹配”方法的贴近涡／面干扰模型以改进机身引起尾迹畸变的计算。应用该分析方法，以Maryland大学4片桨叶的模型旋翼和机身为算例，计算了悬停和前飞状态机身对旋翼的气动干扰影响。计算结果表明，机身对旋翼气动干扰在悬停和前飞时是不同的，且从悬停至前飞，机身对旋翼平面某方位的诱导速度存在一个从上洗至下洗的过渡。     

混沌理论在尾桨气动噪声信号分析中的应用

研究剪刀式尾桨气动噪声的混沌特性，并应用混沌理论进行了直升机尾桨气动噪声信号分析。本文通过利用多频调制方法对尾桨噪声进行理论分析，得出相对声压值随剪刀变化的规律；然后将混沌运动的特征参数——关联维数用于剪刀式尾桨气动噪声信号的分析。分析结果表明剪刀式尾桨引起的气动噪声含有混沌特性，同时对比理论和试验结果表明剪刀尾桨构型的参数对气动噪声有明显的影响。     

桨叶外形对共轴刚性旋翼悬停性能影响的CFD分析

桨叶外形是影响共轴刚性双旋翼直升机悬停性能的主要因素之一,研究其影响机理对提高共轴刚性旋翼的悬停性能具有重要意义。为了提高外形参数对旋翼气动特性影响的分析精度,首先,基于运动嵌套网格技术和可压RANS方程,建立了一套适用于共轴刚性双旋翼悬停流场模拟的CFD方法;然后,进行了悬停状态共轴旋翼流场气动特性的计算分析,得到上、下旋翼拉力和扭矩沿桨叶展向和周向的分布特征;最后,着重进行了桨叶平面外形参数对共轴刚性旋翼悬停性能影响的分析,包括后掠角、后掠起始位置及尖削非线性弦长分布等,得到不同参数下共轴刚性旋翼悬停效率和压强分布等特征。结果表明,桨尖后掠能够使负压中心外移,延缓气流分离,从而提高悬停效率;尖削及桨叶面积集中在中部段的非线性弦长分布能够有效对桨尖进行卸载,优化气动载荷分布,从而改善悬停性能。     

Highly-Efficient Aerodynamic Optimal Design of Rotor Airfoil Using Viscous Adjoint Method

In order to overcome the efficiency problem of the conventional gradient-based optimal design method,a highly-efficient viscous adjoint-based RANS equations method is applied to the aerodynamic optimal design of hovering rotor airfoil.The C-shaped body-fitted mesh is firstly automatically generated around the airfoil by solving the Poisson equations,and the Navier-Stokes(N-S)equations combined with Spalart-Allmaras(S-A)one-equation turbulence model are used as the governing equations to acquire the reliable flowfield variables.Then,according to multi-constrained characteristics of the optimization of high lift/drag ratio for hovering rotor airfoil,its corresponding adjoint equations,boundary conditions and gradient expressions are newly derived.On these bases,two representative rotor airfoils,NACA0012 airfoil and SC1095 airfoil,are selected as numerical examples to optimize their synthesized aerodynamic characteristics about lift/drag ratio in hover,and better aerodynamic performance of optimal airfoils are obtained compared with the baseline.Furthermore,the new designed rotor with the optimized rotor airfoil has better hover aerodynamic characteristics compared with the baseline rotor.In contrast to the baseline airfoils optimized by the finite difference method,it is demonstrated that the adjoint optimal algorithm itself is practical and highly-efficient for the aerodynamic optimization of hover rotor airfoil.     

双拉力螺旋桨构型复合式高速直升机旋翼/螺旋桨干扰流场分析

基于动量源方法建立了针对双拉力螺旋桨构型(X3构型)复合式高速直升机旋翼/螺旋桨干扰流场分析的一个高效数值模拟方法,该方法适用于旋翼/螺旋桨之间相互干扰的计算与分析。在该方法中,旋翼和螺旋桨分别使用动量源代替,对干扰流场采用结构化网格进行划分。首先,进行了孤立旋翼、孤立螺旋桨、旋翼/机身干扰流场的算例计算验证了方法的有效性。然后,应用所建立的方法,着重进行了悬停及前飞状态下双拉力螺旋桨构型复合式高速直升机旋翼/螺旋桨干扰流场的数值模拟,分析了直升机迎角变化对前飞流场的影响,得到了一些关于旋翼/螺旋桨干扰流场的有意义的结论。     

直升机后掠桨尖旋翼气弹稳定性研究

通过建立具有后掠桨尖旋翼气弹稳定性的分析模型，研究后掠桨尖旋翼气弹的稳定性。结构模型考虑了旋翼桨叶的偏置、预锥、预掠、预扭以及桨尖的后掠等多种旋翼参数及非线性影响，分析了不同桨尖后掠角几何参数对旋翼气弹稳定性的影响。数值结果表明，桨尖后掠对旋转旋翼桨叶气弹稳定性影响较大，桨尖后掠使一阶扭转频率增加，同时使一阶摆振阻尼降低，后掠桨尖单元的非线性转换关系对气弹分析结果有影响，桨尖后掠角越大这种影响越显著。     

基于CFD与飞行动力学耦合方法的舰载直升机着舰平衡分析

将计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）模型与飞行动力学模型相结合, 建立了适用于舰载直升机着舰飞行的平衡分析方法。在满足气动力计算精度的前提下,为提高计算效率,CFD模型使用Euler方程作为主控方程,并采用动量源项代替旋翼对其流场的作用。将CFD计算所得气动力对飞行动力学模型计算所得气动力进行修正迭代,并根据牛顿迭代法求解飞行动力学平衡方程,最终求得平衡参数。应用所建立的方法,首先进行了算例验证,以表明方法的有效性;然后着重对舰载直升机着舰飞行进行了平衡计算与分析,为直升机着舰飞行提供参考。     

倾转旋翼机机翼向下载荷的计算方法及参数影响分析

针对悬停和前飞时旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了机翼向下载荷的计算模型.该模型中,旋翼在机翼处产生的诱导速度以及对机翼干扰的旋翼尾迹边界基于Weissinger-L升力面理论和自由尾迹方法计算,以考虑倾转旋翼桨叶的大负扭转和尖削带来的较大三维影响,机翼表面流则区分为弦向流及展向流,以分别计算向下载荷.以缩比的V-22模型旋翼为算例,计算了悬停时旋翼下方的下洗速度分布和机翼的向下载荷,与可得到的实验结果进行了对比,验证了计算模型的有效性.然后,应用该计算模型,研究了襟翼偏角、旋翼倾转角、前飞速度、旋翼/机翼间距等参数对机翼向下载荷的影响.结果表明:机翼的襟翼偏斜角对有效减小机翼向下载荷有重要作用,随旋翼从悬停向前飞倾转,机翼向下载荷减小.     

直升机旋翼旋转噪声的估算

准确地预估直升机噪声水平是直升机噪声研究的主要目标之一。本义以Farassat的亚音速时域公式1A为基础,给出了旋翼旋转噪声的估算方法,适用于任意观察位置和各种直线飞行状态。在不考虑桨叶弹性的条件下,导出了用于数值计算的延迟时间方程和声压计算公式中各被积函数的表达式。本文以国内Z—8直升机旋翼和国外1/4缩比的UH—1旋翼模型为算例,对悬停飞行条件下的旋翼旋转噪声进行了计算。在此基础上,讨论了桨叶叶尖马赫数、桨盘载荷和桨叶翼型对噪声的影响。     

密切曲面内锥乘波前体进气道设计和试验研究

介绍了密切曲面内锥乘波前体进气道(Osculating Inward turning Cone Waverider Inlet,OICWI)的一体化设计方法,对该型乘波前体进气道的性能进行了数值分析,针对该型一体化乘波前体进气道完成了风洞试验研究。理论设计结果和设计状态无粘模拟结果一致,设计状态下的计算结果表明,前体进气道具有较高的总压恢复、较好出口流场均匀度及较高的流量捕获率。试验研究结果表明,改型一体化前体进气道在马赫数5~7条件下顺利启动,流场波系及压力分布同数值分析结果吻合。     

旋翼悬停性能的Re数影响研究

为了解决由旋翼模型风洞试验数据预估全尺寸旋翼性能的问题,开展了旋翼模型悬停性能试验数据的Re数影响及修正方法研究.采用3种旋翼的不同尺寸的模型进行了对比试验,通过试验结果的分析,研究了胁数对旋翼悬停效率的影响规律;按照旋翼理论的有关公式和定义,参考粘性流体力学的研究结果,推导了对悬停效率进行Re数效应修正的公式;利用推导的公式,对模型试验结果的悬停效率进行了修正计算和比较.对比试验结果表明,Re数较小的旋翼模型的悬停效率相对较低;修正计算结果表明,利用笔者推导的修正公式,可以对旋翼模型试验的悬停效率进行合理的Re数影响修正.     

旋翼平行桨-涡干扰噪声的参数影响

建立了一个新的基于Euler和FW-H方程的旋翼平行桨-涡干扰噪声的计算方法.为减小由于空间离散格式精度和网格密度引起的涡数值耗散,使用了预定涡方法.桨-涡干扰噪声的计算则采用基于声学类比法的FW-H方程.以Kitaplioglu的平行桨-涡干扰试验模型为算例,验证了方法的有效性.在此基础上,分析了干扰距离、涡强、桨尖马赫数和涡旋转方向对桨-涡干扰噪声的影响,并得出结论:增大干扰距离可有效地降低桨-涡干扰噪声,当干扰距离大于数倍弦长时,噪声幅值与干扰距离的平方成反比;涡强仅改变噪声大小,对噪声的脉冲特性无影响;而桨尖马赫数对噪声幅值和方向都有影响,且噪声幅值与马赫数的7次方成正比.     

共轴式直升机飞行性能分析

从总体设计角度，对双旋翼共轴式直升机的悬停和前飞性能计算进行了分析和研究，建立了一套工程实用的计算方法，编制了程序，计算了算例。特别在悬停状态下，根据滑流理论，考虑了双旋翼的相互气动干扰，经过合理的简化、推导和求解，得到了适合不同旋翼间距的悬停性能计算公式。为了验证理论分析的正确性，在旋翼实验台上进行了双旋翼气动特性实验。试验结果表明，上述的分析和计算方法可以较好地满足直升机总体设计要求，并取得了     

基于WENO-分段线性格式的旋翼流场数值模拟

为了降低二阶JST(Jameson-schmidt-turkel)格式导致的数值耗散,发展了一套适合于格心格式的基于加权本质无振荡(Weighted essentially non-oscillatory,WENO)-分段线性格式的旋翼流场数值模拟方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕旋翼的网格系统,主控方程选择Navier-Stokes(N-S)方程。为了更加有效地对桨尖涡等流动细节进行捕捉,在笛卡尔背景网格上采用七阶Roe-WENO格式计算对流通量;在桨叶贴体非结构网格上采用二阶精度的Roe-分段线性格式计算对流通量。时间离散采用了高效的双时间隐式LU-SGS(Lower upper symmetric Gauss-Seidel)方法进行时间推进。最后,应用上述方法对悬停状态的C-T(Caradonna-tung)旋翼和Helishape 7A旋翼进行了数值模拟,将数值计算结果与实验数据进行了对比,计算值与实验值吻合较好;并将桨尖涡模拟效果与二阶JST格式的模拟效果进行了对比。对比结果表明:本文方法能有效对旋翼流场进行计算,且在相同计算条件下,WENO-分段线性格式能够更有效地捕捉旋翼涡流场的流动特性,表明在计算旋翼涡流场时WENO-分段线性格式相比传统二阶JST格式具有更低的数值耗散。     

High-Order Discontinuous Galerkin Method for Hovering Rotor Simulations Based on a Rotating Reference Frame

An implicit higher ? order discontinuous Galerkin(DG) spatial discretization for the compressible Euler equations in a rotating frame of reference is presented and applied to a rotor in hover using hexahedral grids. Instead of auxiliary methods like grid adaptation,higher ? order simulations(fourth ? and fifth ? order accuracy) are adopted.Rigorous numerical experiments are carefully designed,conducted and analyzed. The results show generally excellent consistence with references and vigorously demonstrate the higher?order DG method's better performance in loading distribution computations and tip vortex capturing, with much fewer degrees of freedom(DoF). Detailed investigations on the outer boundary conditions for hovering rotors are presented as well. A simple but effective speed smooth procedure is developed specially for the DG method. Further results reveal that the rarely used pressure restriction for outlet speed has a considerable advantage over the extensively adopted vertical speed restriction.     

直升机低速回避区计算分析

在可实现安全自转着陆的条件下,基于最小化回避区面积的思想分析预测了直升机低速高度——速度曲线。将直升机自转着陆表示成非线性最优控制问题,其状态方程使用发动机失效后增广的纵向三维刚体飞行动力学模型。采用直接转换和非线性规划的方法求解非线性最优控制问题。以UH-60直升机为例,计算了考虑1s操纵延迟的单发失效的低速高度-速度曲线,并给出了高悬停点、拐点和低悬停点的最优自转着陆过程,发现这些最优着陆过程与驾驶员的实际操纵程序一致。     

翻管数值参数分析法研究

采用塑性流动理论，薄壳无力矩理论及幂函数强化模型，对求解轴对称塑性平面应力问题的数值参数法作了进一步的研究，推导出成形力学分析的一阶微分方程组，在此基础上，将该微分方程相应用于薄壁圆管轴压外翻成形的稳态流动分析，计算时采用了四阶龙格库塔法，并获得了应力，应数值解，本文通过大量的计算，分析了边界条件对计算结果的影响，并将理论计算结果与实验作了比较。研究结果表明，轴对称塑性平面应力问题可以转换为一阶常