旋翼模型垂直下降状态气动特性风洞试验

使用一种鲁棒的CFD/涡粒子耦合方法,以Caradonna-Tung旋翼为研究对象,采用固定旋翼总距、逐步增大垂直下降率的计算策略,对直升机旋翼垂直下降时可能出现的涡环状态进行了数值模拟,展示了旋翼涡环状态高度紊乱的流场。数值模拟结果同时表明,旋翼垂直下降速度接近悬停诱导速度时,旋翼进入深度涡环状态,整体拉力及桨叶剖面的升力迅速下降。在流场模拟结果的基础上进行了旋翼气动噪声分析,结果表明随着垂直下降率的增加,旋翼载荷噪声频谱特性出现显著变化,频谱阶次在十倍频以上的中频噪声幅值有所提高。基于这一发现,提出了一种在直升机机身周围安装麦克风,通过实时分析旋翼噪声频谱成分,以对旋翼在进入涡环状态的早期就做出及时预警的新方法。     

Panel/full-span free-wake coupled method for unsteady aerodynamics of helicopter rotor blade

A full-span free-wake method is coupled with an unsteady panel method to accurately predict the unsteady aerodynamics of helicopter rotor blades in hover and forward flight. The unsteady potential-based panel method is used to consider aerodynamics of finite thickness multi-bladed rotors, and the full-span free-wake method is applied to simulating dynamics of rotor wake. These methods are tightly coupled through trailing-edge Kutta condition and by converting doublet-wake panels to full-span vortex filaments. A velocity-field integration technique is also adopted to overcome singularity problem during the interaction between the rotor wake and blades. Helicopter rotors including Caradonna-Tung, UH-60A, and AH-1G rotors, are simulated in hover and forward flight to validate the accuracy of this approach. The predicted aerodynamic loads of rotor blades agree well with available measured data and computational fluid dynamics (CFD) results, and the unsteady dynamics of rotor wake is also well simulated. Compared to CFD, the present method obtains accurate results more efficiently and is suitable to rotorcraft aeroelastic analysis.     

高效节能风扇的气动设计

阐述了高效风扇叶片的设计原理、步骤,分析了风扇噪音产生的原因及降低噪音的措施。     

High-resolution simulation for rotorcraft aerodynamics in hovering and vertical descending flight using a hybrid method

A high-resolution simulation tool for rotorcraft aerodynamics is developed by coupling CFD with a Vorticity Transport Model (VTM). An Eulerian-based CFD module is used to model the blade near body flowfield, and a Lagrangian-based VTM module is employed for vortex tracking in the far wake. The coupling procedure is implemented by transmitting vortex sources to the VTM module and feeding boundary conditions back to the CFD module. The presented CFD/VTM hybrid solver is firstly validated by hover cases of three different rotor configurations. Simulation results, including the blade surface pressure distribution, rotor downwash, and hover figure of merit, exhibit favorable correlations with available experimental data. Then, a rotor operated in vertical descending flight with a fixed collective pitch is investigated. It is shown that the CFD/VTM coupling method is suitable for rotor wake simulation. Wake instabilities (far wake breakdown in hover and toroidal wake pattern in the vortex ring state) are successfully demonstrated with a moderate computational cost.     

Robust Navier-Stokes method for predicting unsteady flowfield and aerodynamic characteristics of helicopter rotor

A robust unsteady rotor flowfield solver CLORNS code is established to predict the complex unsteady aerodynamic characteristics of rotor flowfield. In order to handle the difficult problem about grid generation around rotor with complex aerodynamic shape in this CFD code,a parameterized grid generated method is established, and the moving-embedded grids are constructed by several proposed universal methods. In this work, the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equations with Spalart-Allmaras are selected as the governing equations to predict the unsteady flowfield of helicopter rotor. The discretization of convective fluxes is accomplished by employing the second-order central difference scheme, third-order MUSCL-Roe scheme, and fifth-order WENO-Roe scheme. Aimed at simulating the unsteady aerodynamic characteristics of helicopter rotor, the dual-time scheme with implicit LU-SGS scheme is employed to accomplish the temporal discretization. In order to improve the computational efficiency of holecells and donor elements searching of the moving-embedded grid technology, the ‘‘disturbance diffraction method and ‘‘minimum distance scheme of donor elements method are established in this work. To improve the computational efficiency, Message Passing Interface(MPI) parallel method based on subdivision of grid, local preconditioning method and Full Approximation Storage(FAS) multi-grid method are combined in this code. By comparison of the numerical results simulated by CLORNS code with test data, it is illustrated that the present code could simulate the aerodynamic loads and aerodynamic noise characteristics of helicopter rotor accurately.     

纵列式双旋翼悬停状态气动干扰特性参数影响分析

建立了一个纵列式直升机双旋翼气动干扰特性分析的自由尾迹迭代方法。在该方法中,考虑了双旋翼以及旋翼与尾迹之间的相互干扰影响,将旋翼尾迹模型、桨叶气动力模型以及旋翼配平模型进行耦合求解。同时给出了一个适合于双旋翼干扰计算特点的配平方法。计算了悬停时干扰状态下的双旋翼诱导速度分布以及旋翼性能,并与试验数据进行对比,验证了方法的有效性。应用上述方法,对比分析了纵列式双旋翼与单旋翼的性能,结果表明:悬停时纵列式前、后旋翼的性能都比单旋翼时的要差。文中进一步系统地分析了悬停状态双旋翼纵向间距和轴向间距对气动干扰特性的影响,结果显示:当纵向间距为1.3R时,纵列式双旋翼相比两单独旋翼需要额外的附加功率为8.5%,且随纵向间距的增大,附加功率减小并出现负值,当纵向间距为1.85R时,附加功率最小。     

翼吊短舱形式发动机安装效应的风洞试验研究

为了确定实际飞行使用条件下,发动机状态变化时,进排气系统损失对飞机气动特性的影响,本文针对翼吊短舱形式的发动机开展了缩比模型风洞试验,分别进行了基本构型与起飞构型下,马赫数0.1、0.15、0.2,攻角0°~15°变化,5种不同发动机状态条件下的风洞试验,通过数据分析,明确了该类型发动机推/阻力划分的基本方法,分析了发动机状态变化时飞机气动特性的改变及修正方法。风洞试验结果表明：发动机状态变化对飞机升阻特性影响明显,飞机设计研发阶段不能仅对短舱通流模型,或单一发动机状态下的动力短舱模型进行损失修正,必须建立合理的推/阻划分体系,对实际使用条件下,发动机状态变化引起的进排气损失进行修正。     

基于自由尾迹方法的自转旋翼气动特性研究

为研究自转旋翼的气动特性,建立了自转旋翼的自由尾迹方法计算模型,并耦合桨叶挥舞运动模型和自转旋翼配平模型,建立了一种分析自转旋翼气动特性的方法。以某试验自转旋翼为算例对该方法进行了验证并运用该方法研究了自转旋翼的尾迹几何形状和桨盘诱导入流分布特性。研究结果表明:建立的自由尾迹方法计算模型可以满足自转旋翼气动特性分析的需求,相比传统的近似入流模型,该自由尾迹方法模型精度更高;前飞时自转旋翼尾迹随时间推移自桨盘处向桨盘后上方运动,水平面内自转旋翼尾迹畸变略小于驱转旋翼;自转旋翼桨盘诱导入流呈非均匀分布,从桨盘前缘到后缘,下洗入流大致呈不断增加趋势,在相同拉力水平下,自转旋翼90°方位角附近及桨盘后缘的诱导入流小于驱转旋翼。     

典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性分析

针对某型涡轴发动机整机试验中出现的振动过大现象,通过建立考虑低速动平衡的刚性转子系统动力学方程,求解低速动平衡后刚性转子的动力学响应,对涡轴发动机典型燃气发生器转子平衡状态与振动特性进行分析。介绍了该型发动机整机试验中出现的振动过大现象及后续的排查措施,分析了该类转子振动模态特性与激振载荷的关系,建立了该类转子在不平衡状态下的动力学分析模型,对2种初始不平衡状态的转子振动响应进行了仿真计算。结果表明:对于该类涡轴发动机典型燃气发生器转子,当离心叶轮处存在较大初始不平衡时,转子的低速动平衡虽能较好地控制其前2阶振动,但会加剧其在大转速时的振动,特别是转子第3阶弯曲型临界转速裕度不大时,应当特别重视。     

压气机动静叶干扰的非定常流动特性

采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法计算动叶尾迹对静叶干扰的流场信息。利用涡量分布揭示动叶尾迹在静叶通道内的演化过程,利用压力梯度识别激波结构及波振源,运用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法对静叶通道内流场的时空结构进行模态分解。结果表明:流场中存在3处波振源,分别位于动叶尾缘、静叶前缘和静叶尾缘处;发现静叶通道内流场的频谱具有多峰值现象,模态分解的第1阶流动代表动叶尾迹在通道内随时间迁移,对应频率为动叶通过频率(blade passing frequency,BPF)是通道内旋涡非定常波动的主导频率;第2阶流动是动叶通过频率的2倍频流动,旋涡的空间尺度为1阶模态的1/2,为更小尺度的扰动。      

旋翼涡环状态气动特性和参数变化的风洞试验

为了研究旋翼下降和涡环状态的流场及气动特性,在中国空气动力研究与发展中心Φ5m立式风洞中,完成了BO-105直升机桨尖马赫数相似旋翼模型的流场和测力试验。试验获得了旋翼悬停和垂直下降状态桨盘附近的流场,同时测量得到了模型旋翼拉力、扭矩等参数的变化。试验结果表明:高速粒子图像测速法(PIV)相机成功捕捉到了下降率增大时旋翼涡量向桨盘附近聚集的过程。垂直下降率在0.9左右时旋翼拉力和扭矩最小,分别只有对应总距角悬停状态拉力的60%和80%左右。在深度涡环状态,旋翼周围存在大尺度涡结构周期性形成和破碎现象,这种现象是旋翼拉力和扭矩剧烈波动的原因。斜下降相对垂直下降而言,旋翼的拉力和扭矩损失都较小。抛物线桨尖外形与常规的矩形桨尖外形相比,垂直下降气动特性并无显著区别。      

翼吊短舱形式发动机推/阻划分的风洞试验研究

为了确定在实际飞行条件下,当发动机状态变化时,进排气系统损失对飞机气动特性的影响,针对翼吊短舱形式的发动机开展了缩比模型风洞试验,分别进行了巡航构型与起飞构型,马赫数0.1,0.15,0.2,攻角0°～15°,发动机外涵喷管落压比1.22,1.32,1.44,1.53,1.61等条件下的风洞试验。通过数据分析,明确了该类型发动机推/阻划分的基本方法,分析了发动机状态变化时飞机气动特性的改变及修正方法。风洞试验结果表明:发动机状态变化对飞机升阻特性影响明显,必须建立合理的推/阻划分体系,对实际使用条件下,发动机状态变化引起的进排气损失进行修正,通过本文建立的推/阻划分体系,计算得到的发动机安装净推力与风洞试验结果最大偏差为1.6%。     

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素,通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应,但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性,基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型,以NREL 5MW风力机为研究对象,在额定风速条件下,研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上,对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明：风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大,同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小,并加快速度亏损恢复,降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果,使得尾流抬升,作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著,而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。     

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。     

活塞环自由形状曲线及校形工艺的研究

针对活塞环在隔离阀中装配状态与自由状态的差异性问题,开展活塞环自由形状曲线及校形工艺研究。本文采用静力学逆向研究,得出隔离阀活塞环自由状态的开口尺寸,并对其开口尺寸进行了力学测试。结果表明,开口尺寸符合装配力学要求;得出了等压条件下的活塞环自由状态曲线公式;提出了隔离阀活塞环的校形方法,并通过有限元静力学仿真技术校验并筛选出了合理的校形方案,为活塞环的小批量加工提供了基本工艺方法。     

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。     

垂直下降状态下螺旋桨气动特性及涡环特征

螺旋桨在垂直下降状态下极易进入涡环状态,从而引起复杂的空气动力学特性。采用黏性涡粒子方法（viscous vortex particle method, VVPM）,对APC thin electric 10X7螺旋桨在不同垂直下降率下的气动特性和涡环特征开展研究。结果表明：螺旋桨气动特性容易受到下降率的影响,当下降率增加时,拉力呈现先略增大再减小后增大的趋势,同时尾迹压缩效应逐渐增强,涡环中心逐渐上移。在此过程中,涡环先后经历了悬停状态、涡环前期、涡环初期、深度涡环和类风车流动状态,涡环特征从管状螺旋下洗涡逐渐演变成螺旋涡与环形涡并存,再到完全涡环结构,最后涡系结构移动至桨盘上方。涡场拓扑结构的演变直接影响螺旋桨的气动特性,当桨盘附近尾迹为管状螺旋涡结构时,螺旋桨气动特性变化不明显;随着下降率的增加,逐渐演变出的环形涡会严重影响螺旋桨的气动特性,表现为拉力骤降,尾迹压缩效应增强,回流区包裹桨盘;随着下降率进一步增加,涡系结构到达桨盘上方,螺旋桨进入类风车状态,气动力逐渐增大。     

多旋翼飞行器涡环状态数值模拟

旋翼类飞行器在进入涡环状态时极易发生安全事故。采用基于非结构网格的滑移网格技术对多旋翼飞行器的气动特性进行了数值模拟,并进行了试验验证。分别模拟了多旋翼飞行器垂直下降状态和30°斜向下下降状态时的流场,得到该状态下多旋翼飞行器的气动特性和滑流区流场规律,并分析了力与功率的变化规律。研究发现:多旋翼飞行器在垂直下降状态和30°斜向下状态均会进入涡环状态,在垂直下降速度为4 m/s时,多旋翼飞行器已经处于涡环状态,旋翼的拉力损失会达到15%,旋翼功率随下降速度的增大先增大后减小,且不同旋翼拉力大小和功率大小不一致。当30°斜下降速度为4~6 m/s时,多旋翼飞行器处于涡环状态。该结论可为多旋翼无人机的安全飞行提供参考。     

带挤压油膜阻尼器的盘式拉杆转子双稳态振动特性

建立了带挤压油膜阻尼器的盘式拉杆转子动力学模型,利用非线性微分方程多周期解求解方法,对不同系统参数组合下的动力学方程进行求解,研究了带挤压油膜阻尼器的盘式拉杆转子双稳态振动特性的影响规律,比较了带与不带挤压油膜阻尼器系统稳定周期解的动力学特性.通过频谱分析得出:忽略挤压油膜阻尼器时双稳态区主要为基频振动,考虑挤压油膜阻尼器的盘式拉杆转子在双稳态区除了基频振动外,还有倍频的出现.