旋翼近地飞行时诱导速度的N—S方程计算

采用有限体积法用三维Ｎ－Ｓ方程对旋翼近地飞行时的速度场进行了数值计算,对旋翼桨盘处的诱导速度进行了分析。旋翼对流场的作用由分布在特定区域内的动量源项模拟,动量源项的强度由旋翼的几何尺寸,叶片剖面的空气动力特性及当地流场的性质迭代定出。本文讨论了旋翼近地飞行时,在不同前进比及不同离地高度情况下的诱导速度随径向距离及方位角的变化,并将数值计算结果与实验结果进行了比较。     

基于CFD和混合配平算法的直升机旋翼地面效应模拟

建立了一套基于非结构网格技术和动量源模型的直升机旋翼计算流体力学(CFD)方法,用来模拟贴地飞行时直升机旋翼非定常气动特性。其中,控制方程采用三维Navier-Stokes方程,空间方向上采用Jameson格式,时间方向上采用五步Runge-Kutta迭代法,选用Spalart-Allmaras湍流模型。旋翼对流场的作用采用动量源项模拟,为更真实地模拟地面效应(IGE)的作用,采用了"移动地面"的物面边界来代替常规的"固定地面"边界,并对旋翼附近及旋翼与地面之间的网格进行加密处理,以提高地面涡的捕捉精度。考虑实际飞行环境下旋翼的运动和操纵,在流场计算时考虑旋翼配平特性。其中,配平方程的旋翼气动力通过CFD方法和动量-叶素组合理论模型的耦合计算给出,为了提高配平方法的鲁棒性和效率,提出并建立了基于遗传算法/拟牛顿法的高效混合迭代算法。运用所建立的方法,首先,选用有试验结果可供对比的算例计算了地面效应作用下的旋翼拉力增益、功率变化,验证了计算方法的有效性,解决了涡流理论方法较难模拟的"小速度前飞旋翼需用功率突增"问题。然后,着重研究了UH-60A直升机旋翼在不同离地高度、不同前进比状态,旋翼需用功率、诱导速度、地面涡及旋翼操纵的变化规律。计算结果表明:地面涡出现在较小的前进比范围内,随前进比的增大,地面涡在纵向平面将顺来流方向移动,在轴向方位靠近地面方向移动,直至最后不断减弱消失。     

近地飞行时旋翼的气动力及桨叶挥舞运动

基于对旋翼近地飞行时流场的N-S方程计算,计算并讨论了近地飞行时,旋翼拉力、扭矩系数及桨叶挥舞角随前进比、离地高度的变化情况。结果表明,在地面涡出现的飞行条件下,与无地面效应的情形相比,旋翼拉力和侧倾角有显著变化。     

直升机旋翼的瞬态飞行地面效应流场模拟

发展了一种用于分析地面效应中瞬态飞行状态旋翼流场的理论模型,采用CB3D时间步进自由尾迹格式求解旋翼的尾迹结构,并采用面元法模拟地面对旋翼流场的影响,针对离散数值计算中出现的部分尾迹涡线落入地面下方的非物理现象,引入了"等体积"修正方法对地面下方尾迹节点的位置进行修正。新模型计算结果显示,计算所得到的地面效应中"环流"和"地面涡"等特殊流动现象的位置和涡强与试验图像符合良好,可以反映瞬态飞行旋翼地面效应中的旋翼气动力变化机理。     

贴地飞行的旋翼尾迹研究

本文研究了贴地飞行的重要气动问题—地面涡现象。通过对旋翼近地尾迹的分析,建立了计算地面涡的离地高度、纵向位置和强度的计算模型、公式和方法,并以此计算了桨盘处诱导速度分布。计算结果与实验值作了比较,达到了相当好的一致性。     

近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其诱导速度

本文用一简化自由涡模型模拟旋翼尾涡系,用一简单涡模拟地面涡,对近地低速飞行时旋翼尾涡系的畸变及其引起的诱导速度变化作了研究。在地面涡和地面的影响下,桨盘附近的尾涡几何位置发生很大变化,导致桨盘处的诱导速度发生很大变化。尾涡畸变在桨盘处引起的诱导速度变化远远大于地面涡和地面在桨盘处直接产生的诱导速度。考虑尾涡畸变后计算出的诱导速度在桨盘处的分布和实验符合很好。     

地面效应中悬停旋翼的自由尾迹计算

发展了一种具有良好收敛性的自由尾迹模型,用于对地面效应(IGE)状态下的旋翼悬停尾迹进行数值模拟。其中使用直涡元对桨尖涡丝进行离散,使用面元法模拟地面对流场的影响。针对以往类似研究中旋翼高度较低时自由尾迹迭代不易收敛的问题,引入了地下尾迹等比例修正并提出了环式地面面元分布等多项修改办法来改善计算模型的收敛性,同时这些改进也起到了削减计算量的作用。为了对新构建模型进行验证,以多个高度下的旋翼有地效状态为算例,对其尾迹几何结构进行了计算并与实验值进行了对比,结果显示二者符合得较好,证实了该模型具有较高的准确性。     

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。     

地面效应中前飞旋翼的自由尾迹计算

发展了一种自由尾迹模型,用于对地面效应状态下的旋翼前飞流场进行数值模拟,并求解该状态下的旋翼气动特性.为了扩大模型的适用范围,使用了面元法模拟地面对流场的影响.为提高尾迹迭代的收敛性和精度,在计算模型中引入了地下尾迹等比例修正、环式地面面元分布等改进措施.结果显示:前进比增加,地面附近的旋翼流场由环流模式转变为地面涡模式.在前飞速度很小时出现的环流,对旋翼前缘的轴向下洗速度影响十分强烈,导致此时出现随前进比增加,旋翼拉力减小、需用功率几乎不变的特殊现象.将得到的旋翼气动特性参数随前进比变化情况同实验值进行了对比,证实了新构建模型的准确性.      

基于黏性涡粒子尾迹模型的高速直升机配平特性分析

刚性旋翼高速直升机旋翼间复杂的尾迹干扰作用会影响其配平特性。针对这一问题，本文采用黏性涡粒子方法来精确计算上下旋翼复杂尾迹流场下的诱导速度，桨叶环量则采用涡面元法进行求解，两种方法耦合建立了尾迹模型。基于此尾迹模型进行高速直升机飞行动力学建模，包括结合刚性旋翼挥舞运动模型和变距操纵模型的旋翼尾迹气动力建模、机身以及平/垂尾气动力建模。同时与风洞试验结果对比，先验证了旋翼气动力模型的准确性，在此基础上，以XH-59A直升机为研究对象，计算得到了0～80m/s速度下的配平特性结果，与飞行试验数据对比良好，验证了飞行动力学模型的有效性。最后分析了悬停及低速前飞时旋翼间尾迹流场干扰对全机配平特性的影响。     

高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性分析

研究双拉力螺旋桨复合式高速直升机的气动特性可以为高速直升机的设计及气动优化提供参考。基 于动量源方法构建针对双拉力螺旋桨复合式高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性数值计算及分析方法;对 孤立旋翼、旋翼/机身干扰进行算例验证;应用所构建的方法对双拉力螺旋桨高速复合式直升机悬停及前飞状 态的干扰流场进行数值模拟,分析机身对悬停流场影响及不同前飞速度旋翼/螺旋桨/机身干扰特性。结果表 明:悬停时机身对气流的阻塞作用降低了旋翼的升力,螺旋桨对旋翼下洗气流的加速作用使旋翼升力提高;低 速前飞时旋翼/螺旋桨/机身干扰较大,主要体现在旋翼下洗流造成螺旋桨滑流偏折以及机翼上表面压力分布 增大,高速前飞时这种干扰较小。     

倾转三旋翼飞行器地面效应风洞试验

倾转旋翼飞行器在近地悬停或低速前飞时有明显的地面效应,对飞行器的气动载荷有强烈影响。针对倾转三旋翼(TTR)飞行器的地面效应问题,采用0.5 的缩比模型,在低速回流式开口风洞中设计了可移动地面平台,模拟TTR飞行器悬停和低速前飞时的离地高度,利用杆式天平测量机体所受载荷大小并使用粒子图像测速(PIV)技术捕捉机体下方的动态流场。试验结果表明:当TTR飞行器悬停离地高度在1.25倍旋翼直径以下时,地面效应影响显著,机体受到的最大上载荷约为旋翼总推力的4%,并观测到明显的涡旋喷泉流现象;在低速前飞状态,受旋翼尾流和前向来流影响,相对于悬停状态机体所受上载荷明显减小,喷泉流中心后移。试验结果对TTR无人飞行器动力系统选择,控制増稳系统设计以及借助地面效应优势提高承载能力具有一定参考价值。     

贴地飞行时旋翼空气动力学实验研究

 本文对贴地飞行时的旋翼进行了流场显示和桨盘处下洗速度测量的实验研究。揭示并研究了环流和地面涡现象及其对旋翼平面下洗速度分布的影响,指出了旋翼贴地飞行时拉力、力矩等剧烈变化的原因。     

直升机旋翼流场特性PIV试验分析

基于PIV技术对悬停和前飞状态的模型旋翼流场进行了试验研究,对比分析了不同前飞速度、总距、转速、方位等条件下的旋翼速度场和桨尖涡运动,获得了在悬停和前飞条件下旋翼流动特性,为旋翼非定常流动机理研究和桨叶气动设计提供试验支持.     

共轴刚性旋翼悬停状态地面效应气动特性

为了研究地面效应下共轴刚性旋翼的气动特性,建立了一套基于非定常雷诺平均Navier-Stokes方程的气动干扰数值方法,采用运动嵌套网格模拟双旋翼的反转运动。地面采用无滑移边界条件,并对旋翼和地面附近的网格进行加密,以更好地捕捉旋翼的流场细节和尾迹特征。计算结果与Lynx尾桨试验结果进行对比,验证了所建立方法的有效性。对地面效应下共轴刚性旋翼的气动性能和流场进行分析,结果发现：相对于单独的上下旋翼而言,共轴旋翼地面效应下的拉力增益更大,这是由于上下旋翼桨叶表面的压强干扰受地面高压的影响而减弱;地面的干扰主要影响双旋翼尾迹的径向位置,对其轴向位置影响不大,上下旋翼尾迹在地面附近相互融合、分裂,形成复杂的桨尖涡尾迹;双旋翼在地效下的尾迹径向扩张半径比单旋翼大,这是由于双旋翼的径向射流速度更大;随着旋翼距地面高度的增加,双旋翼间的气动干扰强度逐渐恢复,因此下旋翼拉力增益的下降速度比上旋翼更大;共轴旋翼桨尖涡相对卷起高度和扩张半径均随离地高度增加而减小。     

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”,结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法.应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性.此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势.     

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。     

Efficient prediction of ground noise from helicopters and parametric studies based on acoustic mapping

Based on the acoustic mapping, a prediction model for the ground noise radiated from an in-flight helicopter is established. For the enhancement of calculation efficiency, a high-efficiency second-level acoustic radiation model capable of taking the influence of atmosphere absorption on noise into account is first developed by the combination of the point-source idea and the rotor noise radiation characteristics. The comparison between the present model and the direct computation method of noise is done and the high efficiency of the model is validated. Rotor free-wake analysis method and Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) equation are applied to the aerodynamics and noise prediction in the present model. Secondly, a database of noise spheres with the characteristic parameters of advance ratio and tip-path-plane angle is established by the helicopter trim model together with a parametric modeling approach. Furthermore, based on acoustic mapping, a method of rapid simulation for the ground noise radiated from an in-flight helicopter is developed. The noise footprint for AH-1 rotor is then calculated and the influence of some parameters including advance ratio and flight path angle on ground noise is deeply analyzed using the developed model. The results suggest that with the increase of advance ratio and flight path angle, the peak noise levels on the ground first increase and then decrease, in the meantime, the maximum Sound Exposure Level (SEL) noise on the ground shifts toward the advancing side of rotor. Besides, through the analysis of the effects of longitudinal forces on miss-distance and rotor Blade-Vortex Interaction (BVI) noise in descent flight, some meaningful results for reducing the BVI noise on the ground are obtained.