旋翼螺旋桨巡航及悬停状态气动特性研究

为了提高旋翼螺旋桨的综合气动性能,本文基于叶素-动量组合理论,并耦合了计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）方法,设计了一款旋翼螺旋桨,进行了螺旋桨巡航及悬停状态的气动特性计算及流场仿真,计算结果与风洞试验数据进行了对比分析。研究结果表明,在进行网格无关性研究基础上,数值计算与风洞试验的误差较小,设计点平均计算误差为3.0%左右,所采用的CFD计算方法具有较高准确性和可信度。设计的旋翼螺旋桨巡航效率高于80%,悬停效率高于70%,具备了较好的巡航及悬停的综合气动性能。     

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。     

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。     

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。     

悬停状态地面效应对旋翼和机身气动特性影响

本文通过悬停状态地面效应对旋翼和机身气动特性影响的研究,探索它们之间内在机理,为旋翼性能、操纵性和稳定性提供悬停试验及分析结果。通过对试验与理论计算结果的分析,给出了模型旋翼在悬停状态下,旋翼气动特性随地面高度变化的现象,利用实测桨叶表面压力的方法进一步验证地效情况下旋翼功率随拉力变化的规律。     

悬停状态旋翼间干扰对四旋翼升力影响分析

四旋翼无人机旋翼间干扰对旋翼升力产生较大影响。建立考虑旋翼直径、弦长、变桨距、转速等因素的适用于四旋翼飞行器的等效盘模型。对该模型添加动量源,在Fluent中计算孤立单旋翼悬停状态下不同转速的旋翼升力,并与实验数据进行对比,验证等效盘模型的有效性。使用上述方法,计算和分析悬停状态时不同旋翼间距下旋翼间的相互干扰对四旋翼升力的影响。结果表明:相同转速下,旋翼间距越小,旋翼间干扰越强烈,升力损失越大。     

旋翼近水面悬停状态气动特性分析

针对直升机在近水面区域飞行时的旋翼气动特性问题,基于RANS方程,结合流体体积(VOF)方法开展了旋翼水面效应流场的模拟分析研究。为提高水/气交界面的旋翼桨尖涡的捕捉精度,在背景网格区域采用了自适应网格方法,并通过与Caradonna-Tung旋翼试验结果的对比,验证了所提方法的可靠性。随后,基于该方法模拟了旋翼在地面、静水面、小幅波浪水面和大幅波浪水面4种工况下的地面/水面效应流场,对不同状态下的旋翼气动特性及水面干扰机理进行了细致讨论。结果表明：地面效应及水面效应下,旋翼桨尖涡更早向外扩散且桨叶中段的表面压强增幅比桨尖处更大,水面效应的强度要弱于地面效应;而波幅更高的波浪所引发的附着涡更容易改变桨尖涡的发展轨迹,增加桨尖涡的不对称性。     

悬停时的旋翼/机身气动干扰研究

直升机在悬停时旋翼/机身的气动干扰,主要引起机身垂向阻力的增加。本文根据参考文献,给出估算垂向阻力的理论方法,并以某机为例进行了计算,计算结果与该机的旋翼/机身组合风洞试验结果相比,获得了很好的一致。     

先进直升机旋翼悬停状态气动性能计算

 为更好地模拟先进直升机旋翼流场,同时准确计算其悬停状态的气动性能,建立了一套基于Navier-Stokes/Euler方程的混合CFD方法。该方法的求解域由两部分组成：一是围绕旋翼桨叶周围的黏性区域,采用可压缩Navier-Stokes方程来模拟旋翼附近的黏性流动和近场尾涡的捕捉;二是离桨叶较远、黏性可以忽略的远场区域,用Euler方程来描述其流动。在该方法中,将三阶逆风格式（MUSCL）与通量差分分裂方法相结合,无需添加人工黏性,因而可有效地减少旋翼尾迹数值耗散。?阌诹鞒》智蠼庖约爸芷谛员呓缣跫氖凳?采用了嵌套网格方法,并给出旋翼网格与背景网格交界面的信息传递方式。应用所建立的计算方法,首先对二维翼型、三维M6机翼的流场进行了数值模拟,以验证计算方法;然后,着重计算了有实验结果可供对比的具有先进气动外形的HELISHAPE 7A模型旋翼和UH-60A直升机旋翼,通过计算得到旋翼表面压力分布、桨叶展向拉力系数分布、桨叶表面细节流动以及气动性能等,进一步验证了该方法的有效性。     

基于非惯性系的悬停状态旋翼CFD/CSD耦合气动分析

旨在提高先进旋翼气动特性的分析精度,在旋翼高精度CFD分析中耦合气动弹性效应,取代传统方法中的刚性桨叶假设,并考虑悬停状态旋翼流场准定常的特性,在非惯性坐标系下建立了一套适合于悬停状态旋翼气动特性计算的CFD/CSD耦合分析方法。旋翼气动载荷通过求解三维Navier-Stokes方程求得,空间离散及通量计算采用Jameson中心格式,时间方向则选用五步Runge-Kutta迭代求解,湍流模型采用B-L模型;基于Hamilton原理建立了描述旋翼弹性运动的非线性微分方程,针对旋翼悬停状态的工作特点,采用Raphson迭代方法求解获得旋翼桨叶的弹性变形量。在CFD/CSD耦合计算中,旋翼桨叶交接面载荷及变形信息通过CFD与CSD模块进行传递,同时为提高桨叶弹性变形后贴体网格生成的效率和质量,采用基于网格点坐标转换的网格变形方法。在CFD和CSD程序分别验证基础上,采用建立的旋翼CFD/CSD耦合分析方法计算了先进的UH-60A直升机旋翼的表面压强及气动载荷。计算结果表明,与刚性旋翼CFD模拟结果比较,本文建立的CFD/CSD耦合分析模型可以更准确地预估旋翼气动载荷和性能。     

加装格尼襟翼的自转旋翼气动特性研究

为了研究格尼襟翼对自转旋翼气动特性的影响,首先建立了翼型加装格尼襟翼的二维气动特性计算模型,分析了NACA0012翼型及该翼型加装1%、2%弦长高度格尼襟翼的气动特性,理论计算结果与试验结果的对比表明了本计算模型的正确性。基于叶素理论建立了自转旋翼动力学模型,采用Pitt-Peters动态入流模型捕捉自转旋翼诱导速度沿桨盘的非均匀分布特性。最后进行了自转旋翼加装不同高度格尼襟翼的气动特性分析,结果表明:翼型加装1%弦长高度的格尼襟翼后,在20 m/s到35 m/s的来流速度下,自转旋翼的阻力平均减小可达26%;加装高度为2%弦长的格尼襟翼后,在20 m/s到35 m/s的来流速度下,自转旋翼的阻力平均减小达17%。自转旋翼的气动效率得到明显提高。     

改进型CLOR桨尖旋翼气动特性试验研究及数值分析

 通过风洞试验及数值模拟对具有改进型CLOR(CLOR-Ⅱ)桨尖的旋翼悬停和前飞状态气动特性开展研究。在CLOR桨尖旋翼试验及数值分析的基础上,考虑旋翼非定常流场特点,兼顾旋翼悬停和前飞气动性能,对旋翼桨叶的气动外形进行了改进,主要包括采用多种翼型优化配置以综合改善旋翼前行侧压缩性及后行侧桨叶失速特性,并考虑旋翼前飞状态对其桨叶动力学特性的需求,重新设计了桨尖前后缘的外形。在风洞中分别对3种旋翼进行多种状态条件下的试验研究,为从流动细节上获得不同桨尖旋翼的气动特性差别,采用计算流体力学(CFD)方法对试验状态进行了数值模拟对比。对更高转速状态进行模拟,结果表明相对于其他两种旋翼,CLOR-Ⅱ桨尖旋翼在改善跨声速特性和提高失速迎角等方面具有明显优势,而且综合提高了旋翼悬停和前飞气动性能。     

直升机剪刀式尾桨气动特性的研究

对剪刀式尾桨的气动特性进行了实验和分析研究。描述了在模型旋翼台上进行的实验 ,给出了拉力和扭矩随剪刀角变化的实验结果 ,对比了“下旋翼在前”和“上旋翼在前”2种不同布置的影响。实验表明 :“下旋翼在前”布置时的拉力大于“上旋翼在前”布置时的拉力 ;在某些剪刀角布置下会导致较强烈的桨 -涡干扰。然后 ,建立了一个剪刀式尾桨气动特性计算的分析模型 ,并进行了验证。应用这个模型 ,计算了剪刀式尾桨的桨叶诱速分布、升力分布以及桨尖涡位移 ,解释了拉力随不同剪刀角布置而变化的实验结果和实验中出现桨 -涡干扰的原因。最后 ,提出了几点结论。     

直升机涵道尾桨与孤立尾桨的气动特性对比研究

本文推导了涵道尾桨的叶素理论公式，将文献［１］的滑流理论与叶素理论公式组合，建立了计算直升机悬停和侧风状态下涵道尾桨气动特性的方法。     

基于时间精确自由尾迹方法的旋翼非定常 气动特性分析

 给出了一种显式修正的二阶向后差分格式(PC2B)的时间精确自由尾迹算法,用于分析旋翼非定常气动特性。由于旋翼自由尾迹控制方程具有非线性特征,求解过程中易产生数值不稳定性问题,因此本文推导了修正PC2B算法的修正方程,分析了该算法的求解精度和数值稳定性,并通过数值试验对其稳定性和计算效率加以验证及分析。基于该算法,首先对悬停和总距突增时旋翼非定常气动特性进行了计算,通过与试验结果的对比验证了模型的有效性;其次研究了总距操纵时旋翼非定常气动特性的变化规律。研究结果表明,旋翼自由尾迹几何形状的瞬态变化是造成总距操纵条件下旋翼非定常气动特性波动的主要原因。     

涵道尾桨气动特性及翼型CFD分析

以Jameson/TVD混合格式对低速时的OAF和NACA63a312翼型的升阻特性进行了计算。该方法的特点是采用有限体积法进行离散,并用龙格-库塔时间推进法进行求解。通过将计算的结果与NASA公布的试验曲线进行对比,验证了该混合格式用于旋翼气动力计算的可行性。为了进一步研究旋翼的拉力和功率,本文建立了以微圆环动量理论和叶素理论为基础的计算模型,并用该模型计算了涵道尾桨在不同条件下的拉力和功率情况,计算的结果具有一定的代表性。      

新型桨尖旋翼悬停气动性能试验及数值研究

通过旋翼台试验和数值模拟方法对具有China Laboratory of Rotorcraft（CLOR）桨尖旋翼的悬停气动性能进行研究。为进行对比研究,共设计完成3副模型旋翼,分别为参考的矩形桨叶、常后掠桨尖的桨叶以及具有CLOR桨尖气动外形的桨叶。在模型旋翼台上进行这3副模型旋翼在不同转速、不同桨叶安装角条件下的旋翼拉力和扭矩测量;数值计算是采用一个基于Narier-Stokes方程／自由尾迹分析／全位势方程的旋翼流场求解的混合计算流体力学（CFD）方法进行的,计算结果与试验结果显示出较好的一致性。在此基础上,数值模拟了在旋翼试验台上很难开展的高速旋转试验状态。最后,根据试验和数值结果,对比分析具有CLOR新型桨尖旋翼与矩形桨尖以及常后掠桨尖旋翼的悬停气动性能,得出关于非常规气动外形桨尖对旋翼气动特性的影响机理,初步体现了CLOR桨尖旋翼具有良好的悬停性能。     

纵列式直升机双旋翼气动特性分析

由于纵列式直升机前后旋翼之间会产生复杂的干扰现象,本文针对两旋翼之间的气动干扰问题进行了流场分析。首先,建立了基于动量源模型和N-S（Navier-Stokes）方程的数值研究方法,选用k?ω SST两方程湍流模型,采用基于压力隐式求解器,并对所建立求解方法进行了算例验证。随后,对悬停状态,前向来流状态,后向来流状态的纵列式双旋翼直升机前后旋翼干扰流场分别进行了数值模拟,并结合计算结果与流场特性,对干扰流场所产生的气动现象进行了分析。结果表明,针对本文算例,悬停状态前后旋翼性能均降低,后旋翼对前旋翼的性能影响较大。前向来流状态后旋翼升力损失大于悬停状态,后向来流状态前旋翼升力损失更为明显,最低处旋翼效率损失近半。     

新型桨尖旋翼气动布局计算及试验验证

建立了一套适合于新型桨尖旋翼气动特性分析的计算方法,利用该方法计算分析了扭转及弦长分布等参数变化对新型桨尖旋翼气动特性的影响,对新型桨尖旋翼和抛物线后掠旋翼的气动特性进行了数值模拟,开展了新型桨尖旋翼和抛物线后掠旋翼的悬停气动性能试验研究,验证了理论分析的结果。     

弹头尾翼不同布局的气动特性分析

为了分析不同尾翼对作用在弹头上的空气动力的差异,分析弹头的机动能力,利用理论分析、实验数据和仿真计算,进行了弹头尾翼十字型和叉型布局的气动特性研究。通过建立弹头气动参数模型、分析空气动力试验数据,及对静稳定裕度、舵面控制效率及气动耦合的讨论和仿真,得到了二者气动差异的相关结论。