桨尖组合修形对悬停旋翼桨尖涡控制实验

针对桨尖形状对悬停旋翼桨尖涡控制问题,基于逐阶连续分段法和多项式曲线拟合法,通过对桨尖的组合修形,设计了4种类型的旋翼桨尖,利用旋翼天平和PIV测试技术研究了桨尖形状变化对悬停旋翼桨尖涡的控制效果。结果表明:当转速为550 r/min、桨距角为11.3°时,抛物线后掠尖削下反的三维桨尖可有效抑制桨尖的绕流强度,桨尖涡的环量降低27.86%,涡量值的峰值降低17.6%,Q值(Q准则)的峰值降低26%,桨尖涡诱导的上洗流速度峰值降低75%,下洗流速度峰值降低13%,拉力系数降低13%。桨尖外形对涡核直径的影响较小,涡核直径的变化量小于0.65%。以桨尖涡环量与拉力系数的变化量比值衡量桨尖形状的控制效益,具有抛物线后掠尖削下反的三维桨尖的控制效益可达2.0以上。

旋翼模型悬停状态桨尖涡特性

直升机旋翼桨尖涡特性研究是直升机旋翼气动特性研究的关键要素,为提高对旋翼悬停状态桨尖涡特性的认识以及准确掌握其流动机理,利用Bo-105旋翼模型在Φ5 m立式风洞开口试验段进行了桨尖马赫数相似情况下的悬停试验,并采用TR-PIV流场测量系统对旋翼悬停状态下不同总距时的流场进行了精细化测量,得到了该副旋翼32帧/圈的详细流场图像,并运用更为合理的涡核中心判定、涡核流动数据提取以及涡核模型拟合方法对试验结果进行了精细化处理与分析,进一步揭示了旋翼模型悬停状态下桨尖涡的演化发展过程.研究表明:高速PIV设备能准确捕捉旋翼悬停状态下的流场运动特征,有助于旋翼流场的精细化研究;采用涡量加权平均的方法来计算涡核中心位置可以消除涡核中心平移速度的影响,进而更加准确地定位涡核中心;采用环量分析的方法可以更加可靠地确定涡核尺寸和最大诱导速度,且分析结果显示随涡龄角的增加,涡核半径缓慢增大、涡核最大诱导速度缓慢减小;在桨尖涡发展演化过程中,不同发展阶段具有不同的涡核模型n参数.

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Φ2m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。

旋翼桨尖涡模型及其参数确定方法研究

介绍了基于有效湍流粘性系数假设的半经验桨尖涡涡核模型,并将桨尖涡拉伸压缩效应对涡核半径的影响引入该模型。采用流场显示的方法利用"粒子空白区"确定桨尖涡涡核半径,并进行了拉伸压缩修正以获得纯扩散效应引起的涡核半径增长量,以此来确定该模型的关键参数。参数确定结果表明,在中等到大涡雷诺数下湍流扩散效应引起的涡核扩散远大于分子动量扩散效应的作用,桨尖涡拉伸压缩效应对涡核半径的增长有重要影响。

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。

悬停旋翼桨尖涡吹气控制的数值模拟

开槽桨尖是减弱旋翼桨尖涡强度的一种被动流动控制手段。旋翼桨尖涡由于涡量高度集中在一个很小的区域范围内,数值计算容易受到网格分布和数值耗散的影响,导致涡量耗散过快,不利于对旋翼尾迹涡开展研究。针对这一问题,文中采用重叠网格局部加密和湍流模型旋转修正等方法,获得了悬停旋翼的高分辨率桨尖涡流场。采用该方法,对比研究了Caradonna-Tung旋翼基本外形和开槽桨尖外形在悬停状态下的空间旋涡流场,从涡量分布、旋涡特征速度等方面研究了开槽桨尖控制桨尖涡强度的流动机理,比较了4种不同开槽方式对控制效果的影响,以及对旋翼悬停性能的影响。结果表明,开槽桨尖能够有效减弱桨尖涡的强度,但同时会对旋翼拉力和扭矩产生一定的负面影响。

悬停状态旋翼桨尖涡IDDES方法数值模拟研究

开发了一套适用于悬停状态旋翼桨尖涡高精度数值模拟研究的计算分析程序。采用五阶Roe-WENO格式来降低旋翼尾迹区域内的数值耗散。采用结构网格动态面搭接技术实现旋翼的旋转运动,同时该技术还解决了对流动关注区域进行网格加密引起远场网格数量剧增的问题。针对RANS方法对复杂湍流流动模拟能力不足的问题,对RANS/LES混合方法进行了研究,开发了基于IDDES方法的计算程序。首先以串列双圆柱绕流问题为算例,验证了所采用的IDDES方法和面搭接技术的可靠性。然后分别采用RANS方法和IDDES方法针对旋翼悬停状态流场进行了数值模拟对比分析,从旋翼桨尖涡的涡强度、涡核位置、涡核直径以及桨尖涡涡核附近气流速度型分布等方面对旋翼桨尖涡结构的细节特征进行了比较系统的分析。计算结果表明,在相同的网格分布下,IDDES方法计算得到的结果较RANS方法更为接近实验结果,同时IDDES的计算结果还捕捉到了与实际情况相符的细小蠕虫涡结构与桨尖涡的"涡对"等细节现象,有利于深入研究旋翼绕流机理及相关问题。

旋翼桨尖涡高精度数值模拟平台开发

针对旋翼流场涡尾迹的高精度数值模拟需求,本文进行了结构化运动嵌套网格技术、高阶精度数值格式、大规模分块并行计算技术、非定常RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方法研究,开发了常规单旋翼/共轴双旋翼计算网格系统生成软件、运动嵌套关系辨识软件、嵌套网格任意分块及嵌套信息匹配软件、旋翼复杂流动高精度并行数值模拟软件,建立了可用于各类旋翼在悬停和前飞状态下的非定常涡流场高精度数值模拟的高效并行化自主软件平台。运用所发展的方法和软件平台,进行了常规单旋翼和共轴双旋翼涡尾迹结构的高精度数值模拟。结果表明,该数值模拟平台具有较高的计算效率和计算精度,同时能够捕捉到精细的桨尖涡结构及其非定常生成、发展和演化过程。

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。

旋翼桨尖涡模型及其在自由尾迹分析中的影响

建立了一个旋翼桨尖涡初始涡核半径计算模型,用于消除旋翼自由尾迹分析中桨尖涡涡核半径依靠经验设定的现状。该方法利用涡量和涡矩守恒关系,考虑旋转效应的影响,并修正Vatistas涡量分布函数,得到了一个关于桨尖涡初始涡核半径与桨叶附着环量分布之间的非线性关系。将新建立的初始涡核模型同先前建立的涡核扩散与拉伸模型以微分方程初值问题的形式组成一个完整的桨尖涡模型,并将其应用于自由尾迹分析方法中,分别对两副模型旋翼的悬停尾迹进行分析。计算得到的桨尖涡初始涡核半径和展向位置与实验测量值的对比表明本文模型具有较高的准确性。此外,讨论了涡核湍流动量扩散效应在自由尾迹分析中的影响,分析表明该效应对自由尾迹分析的收敛性有重要影响。

直升机前飞旋翼桨尖涡定常质量射流控制计算

针对直升机前飞状态开展了旋翼非定常桨尖涡的模拟,采用定常桨尖空气质量射流(TAMI)控制方式对旋翼桨尖涡进行了控制。建立了一个适用于前飞旋翼桨尖涡高精度捕捉和质量射流控制模拟的数值方法,在该方法中,采用有限体积法进行空间离散,应用5阶Roe-WENO(weighted essentially non-oscillatory)格式进行流场重构及控制面对流通量计算;采用双时间方法进行时间推进,伪时间步上应用隐式LU-SGS(lower upper symmetric Gauss-Seidal)格式;引入射流边界条件对质量射流进行模拟;采用运动嵌套网格方法对前飞旋翼桨尖的挥舞运动进行模拟,并对桨叶网格和背景网格进行针对性加密。基于所建立的方法对前飞状态旋翼非定常桨尖涡及其质量射流控制进行了模拟,计算结果表明:前飞状态下旋翼桨尖涡存在较大的前后差异,桨盘前侧的桨尖涡涡核强度远小于桨盘后侧;桨盘前侧旋翼桨尖涡的涡核强度很难由定常质量射流控制来减弱,而桨盘后侧的旋翼桨尖涡则可以通过定常质量射流得到有效控制。

涡流恢复导叶对螺旋桨气动和声学性能影响研究

为了对比安装涡流恢复导叶与单排螺旋桨气动性能和气动噪声的差异,采用数值模拟的方法研究了安装六种不同间距涡流恢复导叶和单排螺旋桨的气动力及气动噪声。研究结果表明:在起飞状态,级间距Δx=0.27的工况下,安装涡流恢复导叶使得推力系数增加6.4%,效率增加6.7%。随着间距的增大,前级叶片的桨尖涡、尾迹涡等涡系结构在通过后级叶片时破碎并向下游传播,且强度逐渐减小。噪声强度随着级间距的增加而逐渐减小,最大级间距涡流恢复导叶的噪声与最小级间距涡流恢复导叶噪声相比降低5.7 dB,噪声下降幅度随级间距的增加逐渐减缓,存在级间距最优位置使得推力增加最大,噪声强度适中。

直升机旋翼桨尖涡模拟和控制的CFD数值研究

针对旋翼桨尖涡的生成演化问题,建立了一种基于CFD技术的数值模拟方法。首先,采用耦合k-ε湍流模型的雷诺平均N-S方程作为主控方程,搭配针对桨尖涡生成演化问题进行加密的运动嵌套网格进行计算,并以Caradonna-Tung旋翼模型为算例验证了该方法的可靠性。然后,采用该方法对桨尖涡的生成演化过程进行了研究,并开展了参数影响分析。最后,通过改变桨尖形状的方法,对桨尖涡被动控制方法进行了研究,并用CFD软件进行模拟验证。研究结果表明,桨尖涡的生成过程会随升力的增加而变得愈发激烈,桨尖涡的近场演化存在强烈的物理耗散现象;而桨尖涡的远场演化存在先收缩后扩张的现象,即存在收缩极限。所得结论对加深桨尖涡现象的理解具有一定意义。

剪刀式尾桨涡流干扰机理和气动特性研究

采用非常规剪刀式尾桨对直升机整体性能有着重要影响,关于其复杂流动干扰机理的研究尚处在发展之中.为了掌握剪刀式尾桨的流动干扰机理和参数影响规律,建立了适合于悬停状态下剪刀式尾桨干扰涡流场分析的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法.采用积分形式的Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的结构网格采用嵌套网格方法生成.在CFD方法验证基础之上,对悬停状态下两种不同构型剪刀式尾桨桨尖涡的涡核位置和强度的演变规律进行了定量分析,并对流场中桨尖涡与桨叶的贴近干扰、碰撞、破碎运动,同时准确捕捉了不同尺度涡之间的相互干扰、融合的过程进行了分析.进一步研究了剪刀角和轴间距参数对不同构型剪刀式尾桨气动特性的影响规律.计算结果表明,剪刀式尾桨流场中存在复杂的桨-涡干扰和涡-涡干扰现象,剪刀角和轴间距对剪刀式尾桨的气动特性有重要影响,L构型剪刀式尾桨气动性能整体优于U构型剪刀式尾桨.

悬停状态桨尖形状对中小型旋翼的影响

针对悬停状态中小型飞行器气动性能,考虑桨尖涡对飞行器桨叶桨尖的影响,分析了不同形状桨尖桨叶气动特性及其变化规律。尖削桨尖旋翼可有效削弱桨尖涡,从而降低旋翼的阻力距。桨尖涡导致桨尖处下洗速度减小,使桨尖处桨叶截面翼型的实际迎角增大。随着转速的提高,桨尖雷诺数的增大,尖削桨尖的优势才逐渐体现。

桨尖开孔参数对旋翼流场特性的影响研究

采用CFD数值模拟方法开展了基于桨尖开孔的旋翼桨尖涡抑制研究,重点分析了开孔位置、数目、直径等参数对桨尖涡结构和旋翼气动性能的影响。旋翼流场数值模拟通过求解旋转坐标系下的Navier-Stokes方程,采用格点格式的有限体积法,结合非结构重叠网格技术。无黏通量计算采用二阶中心格式加人工耗散,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型。数值研究表明:桨尖开孔的位置对桨尖涡削弱效果的影响很小;开孔数目越多,孔径越大,桨尖涡的削弱效果越好;开孔旋翼的升力系数较无开孔构型小幅增加,而功率系数则较大幅度增加。

基于改进直线涡元诱导速度模型的旋翼自由尾迹计算方法

通过设置涡核模型的角度条件,使涡核模型在极限状态下仍保持收敛,进而改进了利用Biot-Savart定律计算直线涡元对空间任意一点诱导速度的模型;桨叶气动模型采用Weissinger-L升力面理论模拟;自由尾迹的求解采用PIPC松弛迭代算法结合具有二阶精度的CB2D时间步进算法.利用上述模型和算法对某型号旋翼的尾迹进行数值计算,结果显示:利用改进涡核模型计算的桨尖涡径向位移收缩更加明显,这与实际情况更加接近;利用改进涡核模型得到的自由尾迹结果与实验数据吻合的更好.上述结论可以证明,新建立的旋翼自由尾迹模型提高了原有模型的准确性.

直升机涡环状态边界风洞试验研究

本文对直升机涡环状态边界进行了系统的分析与研究。首先,剖析了涡环状态事故的成因,阐述了其在飞行特性、旋翼性能、桨盘入流、涡系结构等方面的物理机制,指出涡环状态下安全隐患的主要诱因是桨尖涡受挤压形成集中涡,使桨盘面上诱导入流相对垂向来流占优,造成旋翼拉力负阻尼与性能损失,导致浮沉运动失稳。然后,对比了各类涡环状态边界的差异性和适用性,指出现有边界预测模型存在建模方式主观性强和试验数据离散度高的问题,并提出了改进思路。最后,设计并开展了模拟下降飞行的旋翼风洞试验。试验结果显示:涡环状态下出现了旋翼拉力负阻尼、拉力损失和功率沉陷现象,旋翼拉力损失最高达30%,旋翼产生维持机体重量拉力的需用功率约为悬停功率的160%。以特情防范实践中关注的旋翼拉力负阻尼和拉力性能损失为指标,从试验结果中提取了涡环状态边界临界速度离散点。在涡环状态边界预测模型构建中区分水平来流、垂向来流和诱导入流对桨尖涡驱动作用的强弱,并计入不同前进比下动量理论的修正和桨尖涡运动阈值的差异,基于试验值采用最小二乘法确定了模型参数,建立了半经验化的涡环状态边界预测模型,模型预测结果与风洞试验结果吻合较好,且符合飞行试验规律。本文对认识涡环状态特情和预防涡环状态事故具有现实意义。

涵道螺旋桨气动机理数值分析

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,数值研究了涵道螺旋桨非定常旋转流场特性,比较研究了普通螺旋桨与涵道螺旋桨的推力、压力、流线等的分布规律,分析了涵道螺旋桨的气动机理。结果显示,虽然涵道螺旋桨产生的拉力小于普通螺旋桨,但涵道会产生附加推力,所以涵道螺旋桨总拉力大于普通螺旋桨,且总扭矩较小,因此气动效率更高。涵道提高螺旋桨气动效率的机理主要有三点:一是减小了滑流速度,螺旋桨产生的推力减小,但滑流损失降低;二是涵道减小了滑流区域环向诱导速度,从而减小了滑流区静压损失;三是涵道改变了螺旋桨桨尖绕流特性,消除了桨尖分离涡和叶素表面分离涡,从而增大桨尖部位叶素升阻比。

基于PIV技术的纵列式双旋翼尾迹特性实验研究

将现有单旋翼实验台进行改装,以适合于纵列式双旋翼的实验研究。基于PIV技术,针对悬停和前飞状态下的纵列式双旋翼时的桨尖涡特性进行了测量。通过改变前后旋翼的水平和轴向间距,调整两旋翼之间的重叠区域,研究了不同气动布局纵列式双旋翼干扰状态下的尾迹结构,并与单旋翼进行了对比。结果表明:悬停状态,随两旋翼纵向间距的增加,桨尖涡的轴向位移也逐渐增大,但桨尖涡径向位移并不是随纵向间距的改变而规律变化,在纵向间距为1.8R附近时最小;而双旋翼轴向间距的变化对桨尖涡的径向和轴向位移均有影响,但变化都不是很大。