利用三维激光测速方法研究悬停状态下的桨尖涡

利用三维多谱勒激光测速仪，对悬停状态下模型旋翼桨叶附近的流场进行了实验测量。研究了悬停状态下桨盘附近的流场特征、旋翼桨尖涡的形成和发展，以及桨尖涡对后续桨叶的影响     

共轴刚性旋翼流场测量试验研究

利用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)试验技术,开展了共轴刚性旋翼桨尖涡尾迹以及桨叶周围流场的测量试验,获得了单/双旋翼桨尖涡的运动轨迹以及桨尖诱导速度分布,研究了旋翼前进比对尾迹边界倾斜角的影响规律,进行了大前进比下强径向流对桨叶周围流场的影响机理研究。结果表明:强径向流具有增强气流附着性、减缓气流分离以及延迟失速的特性,前进比μ=0.64比μ=0.53后缘分离点延迟了约18%;后行侧反流区前进比越大反流强度越强;悬停状态双/上旋翼涡收缩性最快,单旋翼尾迹涡收缩性次之,下旋翼尾迹涡收缩性最慢。测量结果合理可信,为开展旋翼流动机理理论研究及提高CFD分析精度奠定了基础。     

反流及径向流动相互作用下刚性旋翼气动特性研究

采用雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程针对直升机前飞不同前进比状态下四叶片刚性旋翼开展数值模拟研究,对比前进比0.1和0.6时的旋翼气动特性差异。计算结果表明,前飞时桨盘后行侧根部附近出现反流流动区域,翼型截面压强系数呈现非常规分布,该区域桨叶几乎不提供升力,且反流区面积随前进比的增大而增加。以静态前掠反流翼段为研究对象,采用脱体涡(Detached eddy simulation,DES)方法研究其非定常空气动力学特性,发现反流翼段表面出现特殊复杂的附着涡结构,在展向流动的影响下,翼段根部与尖部的涡结构发生耦合作用;反流翼段的升力系数随桨距角的增加而增大,且在失速迎角后并未下降。     

旋翼桨叶跨音速绕流的全势方程计算方法

在随桨叶旋转的坐标系中,用有限差分法求解非守恒格式的全势方程,建立了一个适用于矩形桨尖和后掠桨尖桨叶跨音速流场计算的方法。该方法运用了Ｊａｍｅｓｏｎ的旋转差分技术,并采用等效迎角方法计入旋翼尾迹的影响。作为算例,首先对无升力状态下具有矩形桨尖和后掠桨尖的ＯＮＥＲＡ桨叶进行了计算,取得了与试验数据相吻合的计算结果。然后,对有升力桨叶,也分别就悬停及前飞状态下的桨叶剖面压力分布进行了计算,通过与试验值的对比,进一步验证了该方法的可靠性。     

后掠桨尖旋翼气弹响应及载荷分析

以动力学模型和气动模型相匹配为原则,建立了后掠桨尖旋翼的细致气弹模型。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、下反等多种旋翼参数。气动模型计入了旋翼尾迹诱导的不均匀入流,分析了不同桨尖后掠角对旋翼气弹响应及桨毂载荷的影响。数值结果表明,桨尖后掠对扭转响应影响较大,对挥舞响应影响较小。适当的桨尖后掠有助于降低桨毂垂直振动载荷。配置例题的气弹模型有助于提高载荷预估精度。     

悬停旋翼桨尖涡的试验研究

为了详细研究悬停旋翼桨尖涡的形成与发展过程,以及旋翼状态参数与桨尖涡及其尾迹的关系,开展了桨尖涡及其尾迹的测量和研究.在研究中采用了Ф2m旋翼模型试验台、单桨叶(翼型为NACA 0015)旋翼模型和二维PIV测量系统,通过改变转速和总距角的状态组合,对桨尖周围及近尾迹局部区域进行了详细的桨尖涡流场测量.通过研究,基本掌握了用PIV测量旋翼动态流场的技术;利用PIV成功地获取了从桨尖前缘至后缘下游近流场的不同方位角截面粒子流动图像;通过后处理获得了合理有效的结果.测量结果表明,桨尖涡在桨叶表面形成的过程中,其强度逐渐增强;桨尖涡的强度与旋翼的桨尖马赫数和总距等密切相关.     

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。     

BO－105旋翼模型第二期8米×6米风洞对比试验

１９９２年７月，在保持桨尖马赫数不变（ＭＴ＝０．６４）的条件下，利用ＢＯ－１０５旋翼动力相似模型（１：２．４５），在气动中心低速所８米×６米风洞进行了第二期悬停和前飞对比试验。本期试验结果与１９９０年的第一期试验结果以及国外的有关结果有较好的一致性。悬停时，旋翼功率～拉力特性、旋翼口质因素、桨叶稳态挥舞力矩、桨毂力矩特性等皆与１９９０年试验结果和国外试验结果吻合较好。等拉力系数配平前飞时，旋翼各操纵角～前进比曲线和前飞需用功率～前进比曲线与德国宇航院（ＤＬＲ）的试验结果比较一致。但桨叶信号与１９９０年的结果尚有一定差别。     

桨叶气动外形对直升机桨-涡干扰噪声影响研究

针对旋翼桨-涡干扰(Blade-vortex interaction,BVI)现象的复杂特征,建立了一个基于Navier-Stokes方程/自由尾迹模型的耦合欧拉-拉格朗日数值方法,用于干扰过程中脉冲气动载荷的计算。噪声的预测采用基于声学类比法的FW-H方程。应用上述方法以AH-1/OLS旋翼为研究对象,从"设计降噪"角度分析了具有后掠、前掠、尖削和下反桨尖形状旋翼的桨-涡干扰噪声特性。结果表明:目前直升机常采用的桨叶外形(尖削、后掠)对于降低桨-涡干扰噪声是有限的;而采用前掠、下反桨叶的旋翼具有较好的噪声隐身特性。     

前飞速度和升力偏置量对共轴刚性旋翼气动特性影响分析

共轴刚性旋翼前飞状态的气动特性主要由工况环境中的来流速度、密度和桨叶的翼型配置、弦长分布和扭转分布等气动布局参数决定。气动布局参数的综合影响决定了共轴刚性旋翼的的升力偏置量。了解前飞速度和升力偏置量对前飞性能的影响规律有利于设计更适合于高速飞行的共轴刚性旋翼。因此,本文通过求解可压雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程对4 m直径的由两副2片矩形桨叶旋翼构成的共轴刚性旋翼模型的前飞流场进行了数值模拟,获得了不同前进比下的气动力并对不同升力偏置量下的旋翼性能进行了对比。数值模拟结果表明,随前进比增大,桨叶展向拉力分布更加趋于合理,拉力中心向桨叶中段移动,可以充分给桨尖卸载;旋翼升力主要由前行侧桨叶提供,升力偏置量过大容易产生激波诱导失速,不利于高速前飞。     

无减摆器旋翼桨叶气弹稳定性分析

无减摆器旋翼具有桨毂结构简单、桨毂气动阻力小、桨毂维护简便等优点,但取消了桨毂减摆器后必须确保桨叶在摆振方向有足够的阻尼以保证桨叶的摆振稳定性。基于气弹耦合的方法是实现无减摆器旋翼桨叶摆振稳定性的一个有效方法。建立了无减摆器无铰式旋翼桨叶带有预锥角、下垂角、后掠角和预扭角等结构参数的非线性气弹动力学模型,利用伽辽金方法把桨叶偏微分运动方程简化为非线性常微分平衡方程和关于平衡位置的小扰动运动方程,分析了桨叶的气弹稳定性并进行了参数影响分析。数值结果表明,合理的桨叶结构参数和气弹耦合可确保无减摆器旋翼桨叶在摆振方向的气弹稳定性。     

弯曲叶片对压气机轮毂-角区失速的影响

为了数值模拟弯曲静子对某两级低速轴流压气机总体性能及轮毂-角区失速的影响,选取了第1级静子进行弯曲。弯曲静子积叠线为贝塞尔曲线-直线-贝塞尔曲线(Bezier-line-Bezier,BLB)形式,弯高为20%叶片高度,弯角为10,15,20,25和30°。结果表明,弯曲叶片能有效抑制小流量范围内的轮毂-角区失速,从而改善压气机的性能。过度的弯曲会带来较大的叶型损失,从而导致大流量工况下压气机效率有所下降。扩散因子不能作为判断轮毂-角区失速是否存在的主要依据。     

简化碰撞模型对直升机桨叶扬起下坠动响应影响

采用含阻尼项的简化碰撞模型模拟铰接式旋翼桨叶与限动块之间碰撞时的碰撞力变化,并研究了桨叶扬起下坠动响应过程。运用Hamilton原理建立桨叶扬起下坠动力学方程,并采用Newmark积分法求解桨叶下坠过程的动响应。分析扭转弹簧刚度、阻尼比和积分步长对挥舞铰处碰撞力矩的影响,计算结果表明：扭转弹簧刚度增大1 000倍时,碰撞力矩的峰值相应增大22.0倍;阻尼比从0增大到0.05时,碰撞力矩的峰值增加10.4%;积分步长变小时,计算的精度有所提高,但计算效率却有所降低。     

风力机叶片优化设计目标

研究了变桨型风力机叶片的气动性能计算、叶片设计载荷评估、叶片结构设计、风力机组成本评估及风电场运营模型,并将这些模块进行了整合,得到了度电成本的计算方法,同时提出了风场运营收益最大这一叶片设计目标。基于有针对性的叶片参数化描述,采用自适应模拟退火算法,分别以不同的目标优化设计了1.5MW变桨型的叶片。分析比较了度电成本及风场收益两个指标在平衡发电量和成本上的区别,认为在可以确定上网电价的情况下,以风场收益最大为目标设计叶片能为风电运营商带来更多的收益。     

直升机旋翼旋转状态下浆叶固有频率的测试

直升机旋翼固有频率的合理配置是其动力学设计的关键之一，除了分析计算外，在型号研制中还必须进行试验校验。本文介绍了一种对全尺寸旋翼在旋转状态下通过自动倾斜器激振，对应变响应的分析找出其固有频率的试验方法。针对旋翼试验中干扰因素多等特点，提出了一种将时域数据分段处理的新方法，在找挥舞二阶固有频率的过程中，经过认真的分析研究，对一个与之接近的频率给出了合理的解释。     

风力机叶片顺风向风致振动研究

借鉴桥梁和高楼建筑上已经广泛应用的风工程方法,在考虑脉动风的随机性的条件下,从频域和时域两个角度讨论了风力机叶片极限位移的计算方法。文中采用了Shinozuka提出的谐波叠加法从脉动风功率谱得到一组脉动风的时程样本。风力机的叶片被简化为变截面梁来考虑。将选定的脉动风功率谱以及相应的里程样本作用在叶片上,运用频域和时域两套方法对叶片进行了计算和分析,得到叶片的顺风向振动的平均位移和极限位移结果。结果表明,频域和时域两套方法得到的结果基本一致。将所提出的方法用于工程应用中,分析了暴风停机状态下的叶片极限位移最不利情况。最后指出本文的方法是一般性的,可用于风力机叶片与塔架的耦合分析。     

叶片翼型结冰形态及其气动特性

针对风力机叶片翼型形状对结冰过程的影响及其导致的气动特性变化问题,采用欧拉法及热传质原理构建叶片结冰过程的数学模型并进行数值模拟分析。以NH02系列翼型族为例,建立翼型曲率特征模型,研究叶片关键参数如最大厚度对结冰量的影响机制,预测了某翼型在不同工况下的冰形及位置,探究了干净与结冰翼型的升、阻力特性变化规律。结果表明,结冰量与叶片的相对厚度及最大相对厚度所在位置呈正相关性;结冰导致升力系数变化范围为5%～20%,阻力系数为干净翼型的1.4～2.45倍;结冰致使翼型失速迎角变小,翼型提前进入失速状态。     

旋翼悬停状态桨尖涡测量方法研究

为了研究旋翼桨尖涡涡核结构,采用粒子图像测速（PIV）技术对4m直径桨尖开孔旋翼在悬停状态的桨尖涡流场进行了详细测量,获得了旋翼145°方位角处桨尖涡附近流场的速度分布,以及桨尖涡的涡核半径、旋转速度和涡量分布等试验数据,并研究了PIV分析中选取不同审查窗尺寸对桨尖涡结构测量结果的影响。为了避免桨尖涡位置不稳定的影响,提出了基于桨尖涡流场速度特征的条件平均法,并与简单平均法和基于涡量峰值的条件平均法进行了对比,验证了对桨尖涡流场进行条件平均的必要性,以及所提出的条件平均法的有效性。     

GFRP风机叶片结构设计的二级优化方法

通过对风机叶片结构特性的分析,以叶片腹板位置和蒙皮铺层厚度为设计变量,发展了一种二级优化设计方法。首先建立腹板位置参数的代理模型,根据所建的代理模型以质量最轻为目标进行系统级优化求解出腹板位置,然后将结果传给子系统级,子系统级采取分步优化策略求解叶片铺层厚度。当两级优化结果收敛时得到叶片最佳设计。经算例验证,采用这种二级优化方法,可得到较为理想的叶片结构设计结果。     

三维旋转效应对叶片非定常气动特性的影响

在旋转的作用下，流动分离向下游延迟，结果大大改变了风力机叶片的气动特性，这种由旋转所带来的影响被称为三维旋转效应。本文以叶片表面边界层理论分析的结果为基础，给出了三维旋转效应对气流分离影响的解析关系，使得这一复杂问题可以方便地解决，为准确计算旋转叶片的气动栽荷提供基础。通过算例表明，当这一三维旋转效应应用于叶片非定常气动特性计算时，能大大改善计算结果。