倾转旋翼气动优化设计

倾转旋翼的气动外形设计需要对其在直升机模式和飞机模式下的不同要求进行综合考虑,对其气动外形相关参数进行优化以使倾转旋翼同时具有较高的悬停效率和巡航效率。本文基于自由尾迹分析方法建立了倾转旋翼的气动特性分析模型,以悬停和巡航效率为目标函数,以桨叶弦长分布、预扭角分布、厚度分布及翼型分布位置和旋翼转速为设计变量,以旋翼功率和桨叶重量为约束,提出了倾转旋翼气动多目标协同优化策略,对桨叶气动外形进行了优化设计,优化后的旋翼具有更优的气动性能,表明所提出的优化方法是可行的。     

某型倾转旋翼机的旋翼桨叶气动优化设计

倾转旋翼机的旋翼气动外形设计需要对其直升机模式和固定翼模式下的不同要求进行综合考虑。通过基于Kriging模型的多目标遗传算法建立一套适用于倾转旋翼桨叶气动外形优化设计方法,采用拉丁超立方抽样试验设计方法得到样本点,并建立Kriging模型替代费时的流动数值模拟。以最大化旋翼地面悬停拉力和高空巡航效率为目标,以地面悬停功率不增和巡航拉力不减为约束条件,进行倾转旋翼桨叶平面形状优化设计,并经过非定常数值模拟和风洞试验验证。结果表明:数值模拟结果和风洞试验结果吻合良好,优化结果满足设计指标。     

基于CFD方法的倾转旋翼/螺旋桨气动优化分析

针对倾转旋翼存在直升机和固定翼两种工作模式特点,将CFD方法与优化方法相结合,建立了一套倾转旋翼/螺旋桨气动外形综合优化设计方法。首先,发展了一套适合桨叶气动外形优化的高效网格生成方法,将桨叶三维网格的生成转化为沿桨叶展向分布的独立二维网格生成问题,降低优化设计过程中桨叶网格生成难度和计算量。然后,基于动量/叶素组合理论,建立了适用于悬停和巡航状态旋翼操纵量计算的高效配平方法,并提出适合同时描述倾转旋翼悬停和巡航性能的综合性能评价指标。采用RANS方程作为主控方程,湍流模型采用S-A模型,时间推进上采用高效的隐式LU-SGS格式。最后,为提高倾转旋翼外形优化设计的效率,建立基于置换遗传算法优化的拉丁超立方方法(PermGA LHS)和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法。在上述方法基础上,选取一种包含前后掠以及尖削等外形组合变化外形的倾转旋翼作为原始构型,分析倾转旋翼气动性能及流动细节特征,发现悬停和巡航状态桨叶升力分布不合理之处及其产生机理。进一步通过对三维桨叶尖部的综合气动外形(扭转/弦长/上下反)优化设计,优化方案能有效改善桨叶尖部的气流分离现象,且提升桨叶升力沿展向分布的均匀性,因而明显提高了倾转旋翼的综合气动效率(优化旋翼最大悬停效率和最大巡航效率分别提高了8.4%和6.84%,优化旋翼综合性能指标提高最大值达到5.7%);性能最优构型桨叶的特征有:桨叶扭转角变化内陡外缓;桨叶外侧弦长有显著增加、尖部大尖削;桨叶尖部内侧上反和外侧下反组合变化。     

转速优化旋翼的桨叶气动外形参数优化设计

为了获得转速优化旋翼桨叶的最优气动外形,采用自由尾迹方法计算旋翼入流,以叶素积分法计算桨叶气动力,建立了旋翼气动分析模型,为了保证计算精度及效率,旋翼配平计算采用了二次配平方法。首先分析了不同桨叶气动外形参数对旋翼性能的影响,再利用遗传算法,以悬停效率和前飞需用功率为目标,对转速优化旋翼桨叶的气动外形进行优化设计,得出了转速优化旋翼桨叶的最优气动外形方案。在最优方案的基础上,采用区间因子法分析桨叶外形参数变化对旋翼效率影响的敏感度,根据敏感度值验证了方案的最优性。最后根据设计的最优桨叶气动外形方案,研制了桨叶试验模型,进行了风洞吹风试验,试验结果表明最优桨叶气动外形能使转速优化旋翼的悬停与前飞性能指标达到理论预期值,从而验证了转速优化旋翼桨叶最优气动外形设计的有效性。     

基于线性规划的直升机旋翼性能优化分析

针对直升机的悬停飞行状态,建立了一个基于线性规划的旋翼性能优化分析模型.应用该分析模型,以四叶模型旋翼为算例,对优化前后桨叶扭转角和环量值的分布进行了对比,并讨论了它们之间的关系.计算结果表明,应用所建立的优化方法对旋翼几何参数进行优化,可在保持旋翼拉力不变的情况下,显著减小旋翼消耗的功率.     

直升机悬停回转时尾桨载荷计算研究

本文推导了直升机尾桨线性和非线性的静、动力分析方法,从理论上推导出直升机尾桨叶在悬停回转时的运动学及动力学之间的关系,并对Z11型机悬停回转状态下尾桨叶载荷进行了计算。     

基于Navier-Stokes方程的旋翼前飞状态气动特性数值模拟研究

建立了一个适用于旋翼前飞状态非定常流场和气动载荷计算的数值方法。在该方法中,控制方程为惯性坐标系下的三维非定常Navier-Stokes方程,空间方向上将三阶逆风格式(MUSCL)与通量差分分裂方法相结合。为较好地模拟流动分离,采用了一方程的Spalart-Allmaras湍流模型,时间方向则采用双时间法推进求解。为计入桨叶的旋转、周期性挥舞和变距运动,采用了运动嵌套网格方法。此外,为了更真实地反映旋翼桨叶的实际运动,发展了一个旋翼配平分析模型及求解方法。应用所建立的方法,首先计算了具有先进气动外形的四片桨叶的UH-60A直升机旋翼悬停状态的流场及气动性能,验证了该方法对悬停状态旋翼气动性能数值模拟的有效性。在此基础上,着重对Caradonna模型旋翼无升力前飞状态和AH-1G直升机旋翼桨-涡干扰前飞状态的气动特性(表面压强分布、扭矩、气动载荷)进行了计算,数值结果和试验值吻合良好,表明本文建立的CFD方法对旋翼前飞状态流场的模拟和气动载荷的计算是有效的。     

无铰旋翼直升机悬停气弹稳定性优化实现

本文通过对无铰旋翼直升机悬停时旋翼挥舞、摆振运动微分方程的分析研究,判断出旋翼桨叶气动弹性稳定性运动条件。通过多学科优化软件ISIGHT集成和不同优化方法及优化模型对比,来实现对具体桨叶的稳定性优化,达到预期的目标。     

旋翼几何参数对共轴双旋翼悬停性能的影响

为研究旋翼几何参数对共轴双旋翼悬停性能的影响,建立了基于自由尾迹法和2阶升力线法的共轴双旋翼气动模型,分别计算和分析了共轴双旋翼的旋翼翼型、上下旋翼半径之比、上下旋翼间距、桨叶扭转角以及桨叶尖削比等参数对共轴双旋翼悬停性能的影响,最后基于分析结果综合优化了悬停状态下各旋翼的几何参数.结果表明:旋翼翼型、上下旋翼间距、桨叶扭转角以及桨叶尖削比对共轴双旋翼悬停性能有一定的影响,上下旋翼间距对其影响较小,综合优化旋翼在拉力系数为0.01时与基准旋翼相比,扭矩系数降低10.5%,悬停效率提高9.5%.     

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。     

Flight dynamics characteristics of canard rotor/wing aircraft in helicopter flight mode

The aerodynamic layout of the Canard Rotor/Wing(CRW) aircraft in helicopter flight mode differs significantly from that of conventional helicopters. In order to study the flight dynamics characteristics of CRW aircraft in helicopter mode, first, the aerodynamic model of the main rotor system is established based on the blade element theory and wind tunnel test results. The aerodynamic forces and moments of the canard wing, horizontal tail, vertical tail and fuselage are obtained via theoretical analysis and empirical formula. The flight dynamics model of the CRW aircraft in helicopter mode is developed and validated by flight test data. Next, a method of model trimming using an optimization algorithm is proposed. The flight dynamics characteristics of the CRW are investigated by the method of linearized small perturbations via Simulink. The trim results are consistent with the conventional helicopter characteristics, and the results show that with increasing forward flight speed, the canard wing and horizontal tail can provide considerable lift,which reflects the unique characteristics of the CRW aircraft. Finally, mode analysis is implemented for the linearized CRW in helicopter mode. The results demonstrate that the stability of majority modes increases with increasing flight speed. However, one mode that diverges monotonously,and the reason is that the CRW helicopter mode has a large vertical tail compared to the conventional helicopter. The results of the dynamic analysis provide optimization guidance and reference for the overall design of the CRW aircraft in helicopter mode, and the model developed can be used for control system design.     

基于代理模型的运载器头罩外形优化设计

引入Kriging代理模型,选取若干不同头罩外形的运载器,进行气动性能分析,利用运载器气动性能参数作为拟合样本建立代理模型.以具有足够精度的代理模型替代CFD分析,发展了一种基于代理模型的运载器头罩外形优化设计方法.在马赫数为3、飞行攻角为3°、飞行高度为8km条件下,利用该方法对运载器进行最小阻力系数、最大纵向压心系数的单目标优化和综合考虑上述2个目标的多目标优化.结果表明:2个目标存在冲突,为同时兼顾减小阻力和增强纵向稳定性,必须对运载器头罩外形进行多目标优化,得到的外形阻力系数减小了1.95%,纵向压心系数增大了5.93%,采用基于代理模型的优化设计方法能在保证精度条件下有效提高计算效率.      

基于优化算法的倾转旋翼准定常气动模型

取消了传统直升机旋翼准定常气动模型中对飞行工况和桨叶形状的诸多假设和限制,建立了适合倾转旋翼特殊桨叶形状、桨毂构造以及飞行工况的准定常气动模型.桨叶气动载荷计算基于叶素理论进行数值积分,旋翼挥舞系数通过序列二次规划算法(SQP)进行数值优化求解,诱导速度分布采用Pitt-Peters动态入流模型的稳态形式.利用该方法计算了XV-15倾转旋翼机的旋翼在不同工况下的气动性能以及挥舞系数.计算结果与风洞实验数据吻合良好,误差在8%以内且计算效率高,单一工况求解耗时在5min以内,该方法可用于倾转旋翼机总体设计阶段的性能分析或建立其飞行动力学模型.      

Aerodynamic design optimization of helicopter rotor blades including airfoil shape for hover performance

This study proposes a process to obtain an optimal helicopter rotor blade shape for aerodynamic performance in hover flight. A new geometry representation algorithm which uses the class function/shape function transformation (CST) is employed to generate airfoil coordinates. With this approach, airfoil shape is considered in terms of design variables. The optimization process is constructed by integrating several programs developed by author. The design variables include twist, taper ratio, point of taper initiation, blade root chord, and coefficients of the airfoil distribution function. Aerodynamic constraints consist of limits on power available in hover and forward flight. The trim condition must be attainable. This paper considers rotor blade configuration for the hover flight condition only, so that the required power in hover is chosen as the objective function of the optimization problem. Sensitivity analysis of each design variable shows that airfoil shape has an important role in rotor performance. The optimum rotor blade reduces the required hover power by 7.4% and increases the figure of merit by 6.5%, which is a good improvement for rotor blade design.     

多目标进化算法和代理模型技术在气动稳健优化设计中的应用

通过与传统优化方法的优缺点对比,提出针对飞行器环境参数存在不确定性影响时的气动稳健优化设计模型,并应用多目标进化算法和代理模型技术对稳健模型进行优化设计研究。提供了翼型稳健性优化实例,通过选择合适的翼型参数化方法和CFD求解程序以及不确定性分析方法,得到了稳健设计结果的Pareto前缘图。从其中选择的设计结果可以看出,稳健设计结果表现出更稳定的特性,证明了稳健设计的优势所在。     

旋翼桨叶气动外形设计

旋翼桨叶气动外形设计的目的主要是使旋翼的气动特性满足直升机的设计和使用要求,本文针对直升机旋翼桨叶气动外形设计中的有关问题,介绍了桨叶气动外形设计的设计方法,设计参数主要包括桨叶的弦长、扭转角、翼型选择和配置以及桨尖形状,并以某型直升机旋翼桨叶为例,介绍了旋翼桨叶气动外形的设计。     

基于遗传算法的旋翼翼型综合气动优化设计

结合直升机飞行特性及旋翼工作气动环境,提出了适用于中型运输直升机旋翼翼型优化设计的目标函数及约束条件.在此基础上采用遗传算法,以"黑鹰"(UH-60A)直升机旋翼翼型SC1095为基础翼型,进行多目标、多状态以及多约束条件下的旋翼翼型优化设计.优化翼型同SC1095翼型相比弯度稍大,最大厚度略有增加.结果表明:优化翼型气动力特性在满足约束条件的情况下,零升力矩系数减小了57.2%,最大升力系数增加了3.7%,阻力系数减小了7.5%.同时,非定常动态失速状态下的气动特性也有一定的改善,阻力系数和力矩系数的发散范围均有明显的减小.此外,悬停状态计算结果表明:采用优化翼型构成的旋翼与SC1095旋翼相比,具有更高的悬停效率及更低的力矩系数.      

风扇转子的气动优化设计研究

风扇转子气动优化设计是结合CFD、遗传算法和风扇特性的跨学科自动设计方法,这种设计较少依赖经验,能实现多目标和多设计参数组合的优化设计。先研究了四个关键技术：具有耗时少、计算较准确的叶片通道流场数值计算方法;具有良好寻优能力的数值最优化方法;三维叶片造型的参数化方法;以气动性能为目标的多目标函数构建方法。再将上述四个关键技术模块整合,构建简易的气动优化设计软件。三维叶片优化算例证明了该软件的设计能力,其设计结果较满意、设计效率较高、设计周期短。     

直升机机动飞行的逆模拟

本文给出了一种直升机机动飞行的逆模拟方法以计算跟随预定飞行轨迹的驾驶员操纵,根据这一方法可以确定为完成直升机机动飞行所需的驾驶员操纵输入及直长机的飞行速度、角速度和的变化历程。直同飞行动力学模型没有作任何线化假设,其中考虑了旋翼入流的时滞效应、前行桨叶的压缩性物后行桨叶的失速特性及旋翼桨叶的非定常挥舞运动,引入了旋翼尾迹对直升机机身、尾翼和尾桨的气动干扰。最后以黑鹰直升机为例计算了鱼跃越障机动飞行