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.      

关键设计参数对摆线桨气动性能影响

以西北工业大学自行研制的摆线桨飞行器为研究对象,对简化的二维摆线桨模型进行了非定常数值模拟.在数值模拟模块中,桨叶的公转及俯仰振荡运动采用弹簧近似光滑模型和局部重划模型相结合的动网格技术来处理.重点研究了关键设计参数对摆线桨气动性能的影响,结果表明:随着桨叶数的增加,悬停气动效率提高;随着翼型厚度增加,推力变大,气动功耗减小;桨叶俯仰轴位置位于桨叶弦向中部位置时的功率载荷最大,悬停气动效率最高;随着最大俯仰角增大,气动功耗逐渐增加,悬停气动效率降低;当桨叶上、下半周最大俯仰角之和一定时,采用上半周最大俯仰角小的设置时,推力和气动功耗较大,悬停气动效率也更高.      

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.     

A Mathematical Model for Helicopter Comprehensive Analysis

This article presents a new mathematical model for helicopter comprehensive analysis with the features of flexibility and mathematical simplicity. The model synthesizes the rigid fuselage motion model with 6 degrees of freedom, coupled flap-lag-torsion elastic rotor blade motion model, unsteady aerodynamics model with dynamic stall and high order generalized dynamic wake model. A new blade structural operator with implicit form is formulated, and the components of the blade structure model are independent of each other so that it is convenient to change or handle any component of blade structure without changing the others. What is more, the entire model is developed in a strict state-space form to simplify the comprehensive analysis. Finally, the UH-60 helicopter is taken as an example to predict the blade natural characteristics, the trim characteristics including controls and fuselage attitudes as well as the airloads at blade section under the flight conditions of high speed with moderate thrust and high thrust with moderate speed. The results are compared with UH-60 flight test data and those predicted by two well-known comprehensive codes. The validity of the model presented in this article is verified.     

悬停状态旋翼尾迹研究及气动特性计算

本文用试验的方法显示了悬停状态旋翼的尾迹几何形状，并以试验结果为依据对现有的尾迹几何模型进行了修正。最后以两个模型旋翼为例，分别用修正前的修正后的尾迹几何模型计算它们在悬停的气动特性和桨中处的诱导速度分布。所得结果表明用修正后的尾迹几何模型来计算悬停状态旋翼的气动特性能有效地改善计算结果的准确性。     

用参数辨识法进行直升机悬停性能拓展

准确计算直升机在不同飞行状态的有效气动参数对于确定直升机飞行性能具有重要意义。然而,由于复杂的旋翼空气动力现象以及直升机状态和环境条件的变化,准确预估气动参数有较大难度。为此,采用无量纲分析法建立直升机悬停状态的数学模型,首先对参数重组,确定了几个悬停状态重要参数,包括气动参数和直升机状态参数;然后,以直-9×型直升机为例,结合实际试飞数据,提出了用最小二乘法对该模型进行参数辨识的方法;最后,通过相关性分析,确定了辨识方法的可行性,并将辨识结果有效地用于直升机悬停性能拓展。结果表明,这种利用参数辨识进行性能拓展的方法是可行的,由于辨识结果是利用实际试飞数据确定的,拓展结果具有较高的可信度。这种数据处理方法可有效减少试飞周期,节约试验成本。     

直升机急拉杆机动飞行仿真建模与验证

 针对直升机大机动飞行仿真,建立了一个非线性的飞行动力学模型,考虑了翼型非定常/动态失速、机动飞行引起的动态尾迹畸变、桨叶弹性变形效应和发动机动态特性。采用基于有限元分析的挥舞-摆振-扭转耦合的弹性桨叶模型,并利用一种新的数值方法将旋翼/机体耦合运动方程表示为显式形式,整个飞行动力学模型表示为状态空间格式。以UH-60A直升机在高速飞行条件下的急拉杆机动飞行为例进行仿真计算,并与飞行试验数据进行对比验证。分析表明,仿真结果与试验结果吻合,高速飞行条件下机体抬头过程中前行桨叶非定常气动载荷的计算误差是引起旋翼和机体运动仿真误差的主要原因。     

共轴式直升机全差动航向操纵的动态响应分析

运用经典的垂直飞行涡流理论及共轴双旋翼全差动操纵的结构特征，推导了共轴式双旋翼直升机垂直飞行的航向动力学方程。根据有关共轴双旋翼在悬停及垂直飞行状态时气动特性的理论和实验数据，得出了共轴双旋翼直升机垂直飞行航向动力学方程的解析式。某型共轴双旋翼直升机计算实例，所得结果与该型直升机飞行特性一致。     

使用高阶逆风通量差分裂格式的悬停旋翼流场数值模拟

为减少Jameson二阶中心差分有限体积法导致的旋翼尾迹的数值耗散,将三阶逆风格式(MUSCL)与通量差分裂方法相结合,建立了一个三维雷诺平均N-S方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法。为了充分考虑旋翼尾迹对流场的影响,采用周期性边界条件和由动量理论导出的远场边界条件。为进一步减少尾迹数值耗散和便于添加上述边界条件,采用了嵌套网格方法。然后,进行了算例计算,给出了桨叶表面的压强分布,与可得到的试验数据及二阶中心差分方法的计算结果进行了对比,并针对几种不同桨尖形状的旋翼悬停流场进行计算,数值结果显示:后掠桨尖可减弱超临界流动。此外,还计算和分析了旋翼下方不同位置上的涡量分布。计算结果表明,本文方法能够有效地减少旋翼尾迹的数值耗散。      

基于气动模型辅助的四旋翼飞行器室内自主导航方法

 惯性/卫星/磁传感器/气压高度计组合导航系统是四旋翼飞行器常用的导航方案。但在室内飞行时,由于卫星导航系统不可用,该导航方案的测速及定位精度难以满足四旋翼飞行器的自主飞行需求,从而制约了其室内自主飞行能力。为解决该问题,在利用四旋翼飞行器气动模型的基础上,提出了惯性/磁传感器/声纳传感器/气动模型组合导航方案。通过分析四旋翼飞行器的气动模型特性,揭示了气动模型辅助自主导航的内在机理;提出了气动模型辅助导航算法,并设计了具体的实施流程。最后,结合OS4型四旋翼飞行器的气动模型特点,搭建了气动模型辅助导航方案的验证平台,对四旋翼飞行器的室内悬停与机动飞行进行了仿真模拟。仿真结果表明,气动模型辅助导航方案可以显著提高室内飞行时的测速与定位精度。该方案无需增加其他传感器,具有自主性强、成本低和零载重的优点,在四旋翼飞行器室内导航中具有较好的应用价值。     

Forced aeroelastic oscillations of a rotating anisotropic helicopter main rotor blade at hovering

Aeroelastic oscillations of a rotating blade as a thin-walled beam with restrained strains of bending, transverse shear, and torsion are considered. Aerodynamic loads on the blade performing the forced harmonic oscillations at helicopter hovering are determined according to the nonstationary theory of a two-dimensional flow past blade cross-sections without taking into account the vortex wake of other main rotor blades. The influence of blade anisotropy on its dynamic and propulsive characteristics is estimated in the case of prescribed variation of the root section angle of twist.     

一种新的自由涡尾迹计算方法

在使用自由涡理论进行旋翼气动计算时,尾迹几何结构的确定是计算旋翼气动载荷以及空间流场计算的关键。发展了一种新的自由涡尾迹结构计算方法,该方法能快速得到收敛的尾迹结构,能比较准确地计算桨叶载荷分布。算例与实验数据的比较验证了该方法的正确性。     

旋翼桨叶绕流Euler方程数值模拟

本研究应用格心格式有限体积法求解欧拉方程,模拟绕旋翼浆叶的流动。旋翼尾流的作用通过自由尾流分析来求解局部的诱导下洗速度以修正翼型攻角。选择O—H型式生成弦向和展向网格。通过算例计算为进一步寻求有效的Euler或NS方程数值解积累了经验。     

旋翼气动力数值模拟准确度影响因素计算

针对旋翼气动力CFD计算时的一些常见影响因素的选择问题,进行了数值计算讨论.计算求解器选择自研代码,该代码采用基于共享内存(OMP)的并行化方法,在嵌套网格系统下求解Navier-Stokes方程,空间方向上使用2阶迎风格式,时间方向采用双时间方法.讨论的问题包括背景网格数目对悬停桨尖涡捕捉、对前飞状态激波捕捉和气动力的影响,远场动量理论修正作用对计算结果影响等.对于讨论的不同网格数目情况下,计算的悬停状态旋翼拉力差异在6%左右,扭矩差异2.6%左右,旋翼前飞阻力和扭矩最大差异为2.58%和3.28%.是否采用动量修正旋翼拉力相差3%~5%.通过计算,给出了针对以上因素计算结果差异的范围,可以为旋翼气动力计算工作提供一定的参考.      

翼间干涉效应对蜻蜓悬停气动性能的影响

蜻蜓在悬停飞行过程中,通过控制翅膀的运动规律,进行前后翅相位差为180°的扑翼运动。为了分析两对翅膀之间的干涉效应对悬停气动性能的影响,利用计算流体力学手段对蜻蜓悬停状态的串列扑翼和单对翅扑翼进行模拟。通过对两种模式下的流场进行分析,并计算对比了悬停效率、气动力及气动功率的数据,发现了悬停状态下翼间干涉的气动效应：尾迹集中效应和来流偏折效应。尾迹集中效应可以减少翅膀附近的涡耗散和尾迹耗散,提高悬停效率;来流偏折效应可以通过减小后翅在下拍过程中的来流攻角,从而降低前缘涡的尺寸和强度,降低悬停功率。数值结果表明：在运动规律相同的情况下,与单独拍动的前翅和后翅进行的悬停相比,串列双翅悬停的效率分别提高了18.6%和25.5%,功率分别降低了4.8%和14.0%。     

旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算研究

针对旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算问题,将CFD方法与Farassat 1A(F1A)公式相结合,提出了一种适用于旋翼干扰下的尾桨气动噪声数值计算方法。首先,应用所提出的方法进行了噪声的算例验证,并与参考文献结果进行了对比;然后,着重针对悬停和前飞状态旋翼干扰下的尾桨噪声及气动特性进行了计算分析,并与孤立尾桨状态进行了对比。计算分析结果表明:悬停状态下,旋翼干扰下的尾桨气动噪声水平显著大于孤立尾桨;而在前飞状态,由于旋翼尾迹对尾桨桨盘平面产生更强的气动干扰,这一现象会更加明显;同时,在旋翼干扰作用下,尾桨噪声的主传播方向也会发生明显变化。     

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。     

非定常流场分析结果向结构载荷压力场转化问题的解决

在研究前排静子叶片尾流对后排转子叶片振动的影响时．一个很大的难题就是如何将尾流场作用下的转子叶片通道内的非定常流场转化为适于振动响应分析的结构载荷压力场的形式，并引入有限元分析。在本文中，首先将转子叶片通道进口处的尾流参数进行傅立叶分解，然后分别对各阶谐波作用下的转子叶片通道内的非定常流场进行计算，将其叠加，得到整个非定场流场的解。这样，在进行振动谐响应分析时，各阶谐波作用下的载荷压力场实际上就是其对应的各阶非定常压力场。同时，通过一定的简化，把非定常气动分析结果转化为适于ANSYS谐响应分析的加载形式，从而成功地把结构载荷压力场引入了有限元分析。     

The effect of HHC on the vortex convection in the wake of a helicopter rotor

Based on wind tunnel data the origin and the influence of active rotor control on the wake geometry in the rotor disk are determined. The test data show that the changes in blade-vortex interaction locations due to higher harmonic control are not primarily caused by different blade motions but mainly from different vortex flight paths. Using combined momentum and blade element theory, a model for the induced velocities caused by higher harmonic control is derived. The integration of the vortex flight path within this induced velocity field provides displacements of the vortices that lead to significant changes in the blade-vortex interaction locations. The results are validated by wind tunnel data, and it is proven that the influence of higher harmonic control on vortex geometry and therewith the noise emission characteristics can be predicted using this methodology. Thus the time consuming procedure of computing the wake geometry by free-wake analysis may be omitted for parameter variation studies, since the wake geometry can be predicted approximately in advance.     

两种桨尖形状旋翼模型试验特性对比

本文介绍了一副研制型旋翼模型在CARDC 8m×6m低速风沿的试验概况,给出了两种桨尖形状旋翼模型试验的悬停效率、前飞需用功率、变距拉杆载荷、桨叶载荷及振动特性的对比结果。并对结果进行分析,得出不同桨尖形状对旋翼一些特性的贡献。