悬停状态直升机桨叶扭转分布的优化数值计算

建立了一套基于高精度计算流体力学(CFD)技术和代理模型优化算法的旋翼气动外形设计方法。在该方法中,旋翼流场气动性能的计算采用了基于Navier-Stokes/Euler方程的CFD方法,并根据流场特点、精度和效率的要求采用Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型,通量计算采用Roe-MUSCL格式进行。为提高网格生成质量和便于流场控制方程的求解,将流场分成两个区域,即围绕旋翼的黏性区和无黏的背景网格区。其中,桨叶网格使用了基于二维翼型网格的参数化方法生成,数值计算结果表明该方法有效地提高了网格生成质量及效率。在参考旋翼流场及桨叶细节流动分析的基础上给出设计变量及范围,有效减小了优化问题的规模;为满足优化和机理分析的需要,将基于置换遗传算法优化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法引入到桨叶外形的优化设计中。首先以Helishape 7A旋翼为算例,检验了数值模拟方法的准确性。然后,应用所建立的优化方法针对旋翼负扭转分布进行了优化计算,结果表明优化后的旋翼悬停气动性能比优化前有了明显提高。     

基于动量源方法的直升机旋翼/机身流场数值模拟

建立了一套基于动量源方法的直升机旋翼/机身流场数值模拟方法.将旋翼对流场的作用以动量源项的形式代表,建立了一个包含动量源项的CFD方法.针对直升机旋翼/机身流场的特点以及动量源方法对网格系统的要求,采用了一种混合网格生成方法.通过结合旋翼桨叶的运动方式、几何特征及气动特性,建立一个包含动量源项的N-S方程的旋翼流场计算方法和迭代流程,并采用该方法进行直升机旋翼、机身和旋翼/机身下洗流场的数值模拟,得到了关于旋翼/机身干扰流场的一些有意义的结论.     

旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究

为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程,建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中,流场求解选取旋转坐标系下的Navier-Stokes方程为控制方程;空间离散采用迎风Roe格式,并采用低耗散的5阶WENO(Weighted Essentially Non-Osciltatory)格式进行对流通量的计算;时间推进则采用双时间法,在伪时间步上使用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)推进格式;应用嵌套网格方法实现桨叶网格和背景网格的数据交换。应用所建立的方法对悬停状态的旋翼桨尖涡流场进行了高精度模拟,在桨叶网格上精细地捕捉到了桨尖涡的具体生成过程,在背景网格上捕捉到了更多圈数的桨尖涡尾迹,并对桨尖涡的演化机理进行了深入研究。结果表明:建立的高精度数值方法能够有效地对旋翼桨尖涡的生成和演化过程进行细致模拟;悬停状态下旋翼桨尖气流在上下表面压力梯度的作用下经历了边界层增厚、逐渐卷起形成涡核以及最终脱离桨叶形成桨尖涡的过程。     

高阶谐波控制对旋翼桨-涡干扰载荷和噪声的影响

直升机小速度平飞和斜下降飞行时会产生严重的桨-涡干扰(BVI)噪声。基于修正Beddoes尾迹/桨叶动力学耦合方法和Farassat 1A公式,建立了一个新的能够计入高阶谐波控制(HHC)影响的旋翼桨-涡干扰气动载荷和噪声计算模型。在该模型中,高阶谐波控制引起的桨尖涡附加位移通过对高阶入流进行时间积分推导得出,而单一阶次的谐波输入引起的各阶谐波响应通过传递函数来确定,传递函数则由桨叶的动力学特性计算。首先对HARTⅡ旋翼斜下降飞行状态的桨-涡干扰气动载荷进行了计算模拟,验证了所建立方法的可靠性。然后,着重研究了在典型的三阶谐波桨根激励下,不同输入相位对HARTⅡ旋翼桨-涡干扰气动载荷和噪声特性的影响。结果表明:桨叶的动力学特性尤其是扭转特性对高阶谐波控制效果影响显著,且高阶谐波输入的相位选择对桨-涡干扰噪声的控制至关重要,若控制相位选择不当,反而会增大旋翼噪声。     

悬停旋翼的自由尾迹计算

在随桨叶旋转的坐标系中,建立了悬停旋翼自由尾迹计算的迭代方法和模型。文中以两种不同的模型旋翼为例算,对叶尖涡的轴向和径向位置进行了计算,并与已有的试验结果进行了对比。检验了模型的可靠性,运用上述自由尾迹模型,分别研究了不同叶尖马赫数,桨距角和桨叶片数对悬停尾迹形状的变化,表明了旋翼参数对自由尾迹形状的影响。最后,文末给出了一些结论。     

WAKE GEOMETRY CALCULATIONS FOR TILT-ROTOR USING VISCOUS VORTEX METHOD

A tilt-rotor unsteady flow analytical method has been developed based upon viscous vortex-particle meth- od. In this method, the vorticity field is divided into small assembled vortex particles. Vortex motion and diffusion are obtained by solving the velocity-vorticity-formed incompressible Navier-Stokes equations using a grid-free La- grangian simulation method. Generation of the newly vortex particles is calculated by using the Weissinger-L lifting surface model. Furthermore, in order to significantly improve computational efficiency, a fast multiple method （FMM） is introduced into the calculation of induced velocity and its gradient. Finally, the joint vertical experimen- tal （JVX） tilt-rotor is taken as numerical examples to analyze. The wake geometry and downwash are investigated for both hover and airplane modes. The proposed method for tilt-rotor flow analysis is verified by comparing its re- sults with those available measured data. Comparison indicates that the current method can accurately capture the complicated tilt-rotor wake variation and be suitable for aerodynamic interaction simulation in complex environ- ments. Additionally, the aerodynamic interactional characteristics of dual-rotor wake are discussed in different ro- tor distance. Results show that there are significant differences on interactional characteristics between hover mode and airplane mode.     

桨尖后掠对旋翼流场和气动特性的影响

推导了后掠桨尖剖面法向马赫数和等效迎角与矩形桨尖的关系,指出前飞状态下旋翼后掠桨尖上的法向来流并不一定总比矩形桨叶小的新结论,进一步得出了在后掠桨尖上出现较大法向来流马赫数的解析区间,并给出了克服这种情况出现的解决办法;提出了保持前缘法向来流速度为常数的桨尖设计方案。然后,采用CFD方法,针对后掠新型桨尖旋翼的悬停和前飞跨声速流场进行了数值模拟,并结合理论分析的结果,深入地分析了桨叶后掠对旋翼流场、气动特性的影响,得出了后掠桨尖流场的细节特征,尤其是桨尖附近的激波位置、范围和强度的变化规律。     

斜下降飞行状态的旋翼桨 涡干扰噪声高效计算方法及降噪

将旋翼涡系理论与旋翼噪声计算方法相结合,建立了一个新的适用于桨-涡干扰(Blade-vortex interaction,BVI)噪声简化计算的方法。一方面,为推导桨-涡干扰噪声的解析表达式并简化运算过程,气动计算采用了基于实验的Beddoes修正涡系模型,噪声计算则使用Farassat 1A声学公式的载荷噪声项,并通过紧致源假设,实现了旋翼BVI噪声的解析推导;另一方面,为了分析直升机飞行参数对旋翼桨-涡干扰噪声的影响,将旋翼的飞行姿态与直升机旋翼气动计算模型相结合,建立了受飞行参数影响的BVI噪声声压计算模型。然后,进行了相关的算例计算,并与可得到的实验数据进行了对比,验证了所建立方法的有效性。在此基础上,应用该方法研究了桨-涡干扰状态下飞行参数对桨盘入流、桨-涡垂直间距这两个重要参数的影响,着重计算分析了斜下降飞行时出现强BVI噪声辐射的飞行航迹角和前进比范围,得出了有意义的结论。     

直升机动态着舰流场下的旋翼气动载荷分析

直升机着舰流场复杂多变,严重影响着旋翼的气动环境,进而影响直升机着舰安全。本文基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术建立了一个直升机动态着舰的数值模拟方法,并以此研究直升机着舰过程中的气动载荷变化。该方法以N-S方程作为控制方程,并选取k-ω湍流模型来提高对涡流场的捕捉精度,采用动量源方法模拟旋翼。应用所建立的方法,着重分析了直升机侧弦进场、垂直降落过程中的耦合流场特征和气动载荷变化。结果表明:直升机侧弦进场时旋翼会与甲板舷涡以及舰船艉部的涡回流区发生较强的涡干扰,导致拉力显著降低,在舰面效应的影响下易产生一个附加的滚转力矩,影响直升机姿态稳定;垂直降落时在上述干扰的综合作用下,旋翼拉力呈现出先减小、后增大的特点,各气动载荷在接近甲板时会出现剧烈的波动,加大了着舰风险。     

大气环境对直升机旋翼桨-涡干扰噪声辐射特性的影响

建立了一个适用于旋翼桨-涡干扰气动载荷计算的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)/自由尾迹耦合模型,为提高计算效率,提出了一种高效的耦合策略进行不同计算域间的信息交换策略。在此基础上,结合基于声类比法的FW-H方程构建了旋翼桨-涡干扰噪声的计算方法。应用所建立的方法,以OLS(Operational loads survey)旋翼为研究对象,深入分析了大气环境对旋翼噪声辐射特性的影响。研究发现:随着飞行高度的增加,旋翼噪声辐射特性发生了明显的改变,逐渐由桨盘前行侧转变为指向桨盘前方,噪声幅值先增大后减小。文中从桨-涡干扰距离、干扰位置变化角度计算分析了大气压力、音速及空气密度等环境参数对旋翼桨-涡干扰噪声辐射特性的影响,并得出了一些有实际意义的影响规律。