Numerical study on flow fields and aerodynamics of tilt rotor aircraft in conversion mode based on embedded grid and actuator model

A method combining rotor actuator disk model and embedded grid technique is presented in this paper, aimed at predicting the flow fields and aerodynamic characteristics of tilt rotor aircraft in conversion mode more efficiently and effectively. In this method, rotor's influence is considered in terms of the momentum it impacts to the fluid around it; transformation matrixes among different coordinate systems are deduced to extend actuator method's utility to conversion mode flow fields' calculation. Meanwhile, an embedded grid system is designed, in which grids generated around fuselage and actuator disk are regarded as background grid and minor grid respectively, and a new method is presented for ‘donor searching' and ‘hole cutting' during grid assembling. Based on the above methods, flow fields of tilt rotor aircraft in conversion mode are simulated, with threedimensional Navier–Stokes equations discretized by a second-order upwind finite-volume scheme and an implicit lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LU-SGS) time-stepping scheme. Numerical results demonstrate that the proposed CFD method is very effective in simulating the conversion mode flow fields of tilt rotor aircraft.     

倾转旋翼机飞行力学特性

总结和分析了旋翼、机翼、机身、短舱和尾翼气动力模型和操纵机构特点,其中旋翼气动力模型以准定常叶素理论为基础,机翼和尾翼气动力模型以升力线理论为基础,并分析了旋翼尾流对机翼气动力气动干扰问题;建立了全量非线性倾转旋翼机飞行力学模型;以XV-15为样机,对倾转旋翼机在不同飞行模式和飞行速度下飞行力学特性展开了详细研究,得到的结论有助于深入了解倾转旋翼机飞行力学特性,也可用于倾转旋翼机飞行控制系统设计.      

倾转旋翼机多部件对机翼气动干扰的分析及优化

为研究倾转旋翼机各部件对机翼的气动干扰效应,建立了一套适用于倾转旋翼机流场CFD求解方法,提出并生成了一套由三棱柱/四面体组成的适用于倾转旋翼机多种飞行状态的非结构混合网格系统.以三维Navier-Stokes方程为主控方程,采用动量源方法进行倾转旋翼的模拟,并引入了高效的OpenMP并行加速技术等,提出了一套新型的动量源项添加及搜索方法.计算分析了倾转旋翼机旋翼/机身/短舱对于机翼气动特性的干扰影响,得出了一些对设计有指导意义的结论.采用基于径向基函数（RBF）的代理模型方法,根据机翼不同展向位置的干扰程度对各段翼型配置进行气动优化.优化结果表明:考虑气动干扰作用,在巡航速度下优化后的全机升阻比增长达到了36.78%.      

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。     

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...     

倾转旋翼飞行器飞行力学模型研究

对倾转旋翼飞行器飞行力学模型的建立进行了理论研究.其中旋翼的气动模型,使用了非定常叶素理论,而对于机翼、尾翼和机身的气动力计算则采用了成熟的升力线理论模型.对于气动干扰的问题,则主要是考虑了机翼与旋翼的气动干扰.最后对算例飞行器不同模式下的飞行状态进行了飞行特性计算,验证了所建模型的合理性.     

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。     

尾吊发动机短舱安装对机翼高速升阻特性的影响研究

尾吊式发动机短舱在全机影响下的气动设计十分复杂,其与机翼、机身、平尾等部件的气动干扰对全机的气动特性有较大影响.为了评估短舱安装对机翼高速升阻特性的影响,本文在计算流体动力学软件Fluent中对某型飞机的全机流场进行了数值模拟,着重考察了有无短舱以及短舱安装在不同位置对机翼表面流场的影响情况.计算结果表明,尾吊式发动机短舱安装将导致机翼升、阻力系数降低,但升阻比会有所提高;短舱安装越靠近机翼,机翼升、阻力系数下降越大,而升阻比越高.     

基于数值延拓算法的倾转旋翼机配平及稳定性分析

考虑旋翼尾流对机翼、平尾和垂尾的气动干扰,建立了倾转旋翼机非线性飞行动力模型。以XV 15为例,通过简化悬停模型,计算得到悬停的配平解,在此基础上,分别以前飞速度和短舱转角为延拓参数,数值延拓完成直升机模式、过渡模式和飞机模式在不同飞行速度下的配平。并在此基础上对倾转旋翼机进行稳定性分析。计算结果表明:应用数值延拓算法进行配平可以不受初值限制计算得到真实解;数值延拓算法具有全面性,可计算全短舱转角-速度包线内的平衡值。      

Aeroelastic stability of full-span tiltrotor aircraft model in forward flight

The existing full-span models of the tiltrotor aircraft adopted the rigid blade model without considering the coupling relationship among the elastic blade, wing and fuselage. To overcome the limitations of the existing full-span models and improve the precision of aeroelastic analysis of tiltrotor aircraft in forward flight, the aeroelastic stability analysis model of full-span tiltrotor aircraft in forward flight has been presented in this paper by considering the coupling among elastic blade, wing, fuselage and various components. The analytical model is validated by comparing with the calculation results and experimental data in the existing references. The influence of some structural parameters, such as the fuselage degrees of freedom, relative displacement between the hub center and the gravity center, and nacelle length, on the system stability is also investigated. The results show that the fuselage degrees of freedom decrease the critical stability velocity of tiltrotor aircraft, and the variation of the structural parameters has great influence on the system stability,and the instability form of system can change between the anti-symmetric and symmetric wing motions of vertical and chordwise bending.     

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...     

Study of RCS characteristics of tilt-rotor aircraft based on dynamic calculation approach

To study the Radar Cross-Section(RCS) characteristics of the tilt-rotor aircraft, a dynamic calculation approach that takes into account rotor rotation and nacelle tilt is presented.Physical optics and physical theory of diffraction are used to deal with the instantaneous electromagnetic scattering of the target. The RCS of the aircraft in the helicopter mode, fixed-wing mode and transition mode is analyzed. The results show that in the fixed-wing mode, the blade has a weaker deflection effect o...     

旋转机翼对CRW飞机气动特性影响的动态试验研究

鸭式旋翼/机翼（CRW）飞机是一种新型复合升力飞机。旋转机翼的焦点位置、迎风面积随旋转机翼方位角剧烈变化,同时旋转机翼气动力受前机身上洗流影响明显,综合影响使得旋转机翼在旋转状态下全机气动特性随旋转机翼方位角剧烈变化。通过风洞试验对纵向气动特性进行了研究,结果表明：旋转机翼的升阻特性变化对全机升阻及俯仰特性的影响以振荡的形式表现,频率为旋转机翼的旋转频率,幅值都在固定翼状态稳态值的5%以上。     

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.     

倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰理论与试验

采用参数化建模方法,建立了适用于飞行力学分析的倾转旋翼机旋翼/机翼气动干扰模型,提出一套简单而准确的干扰区计算方法,得出了干扰区边界的解析表达式,并根据解析式数值积分得到了干扰区的面积,据此给出了过渡过程中旋翼/机翼气动干扰的速度边界。针对上述模型和方法,进行了倾转旋翼不同旋翼总距、前飞速度以及短舱倾角下的旋翼/机翼气动干扰风洞试验,并通过理论计算结果与风洞试验结果的对比验证建模方法的正确性。     

基于WENO-分段线性格式的直升机流场数值模拟

发展了一套适合于格心格式求解器的基于加权本质无振荡(WENO)-分段线性格式的旋翼/机身气动干扰高精度CFD计算方法。应用该方法对多种旋翼/机身组合模型前飞算例进行了数值模拟,计算得到的机身表面压力系数分布与实验结果吻合良好,说明了该方法对旋翼/机身气动干扰研究的有效性。之后进一步将该方法应用到悬停状态的X3构型复合式高速直升机旋翼/机翼/螺旋桨组合模型的复杂流场模拟中,并与悬停状态孤立旋翼和旋翼/机翼组合模型的流场进行了对比。研究发现:机翼对旋翼下洗流起阻滞作用,引起机翼下方不规则流动,且螺旋桨滑流与旋翼下洗流会相互干扰产生一定的偏折,旋翼下洗流速度更大,螺旋桨滑流会产生明显的向下偏折。      

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

运输机短舱挂架纵向位置优选数值研究

针对运输机的翼/身/架/舱干扰问题,本文基于Euler方程,采用笛卡尔直角网格,应用有限体积法对全机绕流流场进行数值计算,分析和比较了短舱挂架不同前伸量、下沉量的影响,提出了基于最佳前伸量和下沉量的优选配合位置,并与初始位置的全机气动特性进行对比。结果表明,获得的短舱挂架优选配合位置使全机气动特性得到了明显改善和提高。     

基于拉格朗日方程的倾转旋翼机动力学建模

针对倾转短舱与机体间的气动干扰和惯性耦合特征,基于拉格朗日原理推导出了倾转旋翼机的纵向飞行动力学方程。在此基础上,以XV-15倾转旋翼机为对象,针对几种不同的短舱倾角,计算分析了飞行器的配平特性和过渡模式动态响应特性。仿真结果表明,所建立的动力学模型是合理的。该模型可用于研究倾转旋翼机的直升机飞行模式、飞机飞行模式及过渡飞行模式下的纵向飞行特性。     

一种适合于旋翼前飞非定常流场计算的新型运动嵌套网格方法

针对旋翼流场计算中关键的运动嵌套网格技术,提出了一个新的网格单元关系快速判断方法。该方法通过计算特殊网格点在背景网格上的位置来建立桨叶网格在背景网格中所占据范围的关系,并用于嵌套网格洞单元的识别,又进一步将该方法推广用于Inverse Map的建立,在此基础上,建立了一套用于前飞流场计算的运动嵌套方法。通过多种前飞旋翼测试算例,分别评估了背景网格、桨叶网格尺寸改变对计算时间的影响,同时验证了该方法的可靠性,结果表明构建网格嵌套关系所用时间随桨叶网格和背景网格尺寸的变化幅度较小,且具有良好的鲁棒性,能够满足旋翼前飞状态计算的需要。最后,在基于前飞非定常N-S/Euler流场求解器中,采用该方法模拟了UH-60A和7A旋翼悬停/前飞状态的气动特性,通过计算时间的对比体现出该方法的高效性,并且流场计算结果与试验数据对比表明该方法可以有效地用于旋翼前飞非定常流场的计算。