倾转旋翼机悬停状态气动干扰分析

针对倾转旋翼机,开展了悬停状态气动干扰风洞试验和数值模拟研究。试验中,测量了悬停状态下的旋翼升力、扭矩以及半模机翼的气动力。同时,采用运动嵌套网格方法,通过求解N-S方程对机翼倾角0°和90°两种状态进行数值模拟,开展了数值模拟与风洞试验的相关性分析研究,验证了该数值模拟方法的有效性。结果表明:不考虑机身气动力时,孤立旋翼、机翼攻角0°和机翼攻角90°三种状态下旋翼气动特性差异不明显;考虑机身气动力时,机翼攻角0°时,机身产生约18.2%向下载荷,单片桨叶和机身出现强烈非定常气动特性,其中桨叶升力系数动态值与平均值比为9.8%,机身升力系数动态值与平均值比为18.38%。

不同前倾角度倾转旋翼噪声数值计算分析

基于自由尾迹结合FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的方法建立了倾转旋翼气动噪声计算模型,并采用倾转旋翼模型噪声试验数据验证了计算分析方法的有效性。选取典型过渡路径,进行考虑配平的倾转双旋翼气动噪声特性计算,获得了旋翼桨叶剖面非定常气动载荷以及不同测点气动噪声等计算结果,分析了倾转旋翼在不同前倾角下噪声指向性和噪声声压级的变化。结果表明:由于双旋翼噪声在传播中的叠加和抵消,倾转双旋翼和孤立单旋翼的噪声指向特性存在较大的不同;倾转旋翼噪声随前倾角增加总体上呈现先增加后减小的变化趋势,在前倾角30°附近噪声最强;不同前倾角下噪声声压级和指向性的变化与旋翼桨尖马赫数、气动载荷和桨盘角度等多种因素相关。

基于加权D-S证据理论的旋翼故障诊断

旋翼作为直升机的升力面和操作面,其健康状态对直升机的安全至关重要。旋翼故障诊断技术仍是直升机健康与使用监测系统(Health and usage monitoring system, HUMS)领域的薄弱环节,开发旋翼故障诊断技术具有重要价值。基于信息融合技术,首先分析了旋翼故障的诊断机理,建立了旋翼故障模型,通过流固耦合仿真获取了不同故障下桨叶、轮毂和机身的故障特征信息,生成数据集进行网络训练和验证。然后,利用遗传算法反向传播(Genetic algorithm-backpropagation, GA-BP)优化神经网络诊断3种类型的直升机旋翼故障,即后缘调整片误调、变距拉杆误调和桨叶质量不平衡。3个逐级神经网络分别对旋翼故障类型、故障位置和故障程度进行了诊断识别。最后采用加权的Dempster-Shafer(D-S)证据理论对旋翼故障进行诊断和分析。结果证明基于改进D-S证据理论的旋翼故障诊断方法能够成功应用到旋翼故障诊断中,并具有良好的识别效果。

直升机双层平尾构型气动特性分析

为分析双层平尾气动特性,采用CFD方法建立了直升机平尾计算模型,获得了低速前飞和机身大迎角状态不同构型平尾的气动特性,分析了单层和双层平尾构型的气动特性和流场特点,研究了双层平尾对低速前飞状态和大迎角状态的纵向静稳定性改善作用机理。结果表明:双层平尾构型通过抑制旋翼/平尾干扰改善低速前飞状态下的直升机俯仰力矩突增问题,前进比为0.05时,双层平尾俯仰力矩比单层平尾减小56.8%;双层平尾的失速迎角和最大俯仰力矩增大,从而增强直升机大迎角状态的纵向静稳定性,迎角20°时,双层平尾俯仰力矩比单层平尾增大60.1%。

基于运动嵌套网格的直升机旋翼/机身/平尾干扰流场模拟分析

基于运动嵌套网格方法建立了一套针对直升机旋翼/机身/平尾非定常干扰流场的数值模拟方法,并通过ROBIN机身和Caradonna&Tung旋翼算例进行了验证。应用该方法计算了悬停和前飞状态下直-9直升机旋翼/机身/平尾干扰流场,并与孤立旋翼、孤立机身流场的数值模拟结果进行了对比,分析了不同前飞速度下的旋翼/机身/平尾非定常气动干扰规律。计算结果表明,机身对旋翼诱导速度的干扰具有很强的方向性,并且会导致旋翼桨尖涡涡管畸变,引起旋翼拉力系数波动峰峰值增加;在旋翼下洗流作用下,机身/平尾表面呈现出复杂的非定常压力分布;随前进比增大,旋翼尾流远离平尾区域,气动干扰显著减弱。

基于载荷发散控制的旋翼高原气动设计

直升机高原重载快速飞行时,旋翼处于大总距状态,更易发生旋翼失速,导致操纵载荷显著增加。为解决这一问题,本文提出了基于载荷发散控制的旋翼高原气动设计方法。传统直升机旋翼设计中,性能、噪声、空机重量控制等要求是常规的设计目标,对拉力性能影响不大的旋翼失速问题往往被忽视,但其对高原直升机来说影响重大。文中构建了旋翼动力学模型,并据此计算了桨叶动态气动力矩系数C_(m)随单位实度拉力系数C_(T)/σ的变化曲线。以C_(m)突增作为旋翼失速基本判据,分析不同前进比μ下C_(m)突增点,形成旋翼失速载荷发散单位实度拉力系数C_(T)/σ包线,以此作为旋翼高原气动设计边界之一。运用该方法设计的AC313大型民用直升机的理论分析和试飞结果均表明,该设计可极大地减少旋翼在高原典型飞行剖面发生旋翼失速的风险,有效控制旋翼操纵系统的载荷,增加操纵系统使用寿命,提升飞行舒适性,很大程度上保证了飞行安全,在直升机的全生命周期使用中作用积极。

基于UNet的翼型可压缩流场机器学习推理方法

为进一步提升高雷诺数、大迎角(Angle of attack,AoA)和高马赫数下的翼型可压缩流场预测精度和效率,本文提出了一种基于坐标转换方法和UNet神经网络的机器学习推理方法。首先,提出了用于数据前处理的坐标转换方法,将计算流体力学中的物理量和网格信息转换成神经网络空间信息,使流场信息的分布更符合神经网络的输入要求。其次,建立了新型深度UNet神经网络,使模型学习到翼型流场精细复杂的局部流动特征。本文将两种方法结合,建立了翼型可压缩流场机器学习推理方法,得到快速高精度的推理模型。最后,对不同种类翼型的流场与气动力进行预测分析,并与传统机器学习方法预测的结果进行比较。结果表明,本文提出的机器学习推理方法能够较好地预测翼型的可压缩流场,并且能够更好地捕捉高雷诺数下的复杂流动行为以及预测大迎角、高马赫数条件下的流动分离和激波现象。

基于CFD方法的舰载直升机着舰风限图计算

本文建立了一种基于Navier⁃Stokes方程的直升机着舰流场计算方法,可应用于着舰区域旋翼/机身/尾桨气动力的计算。该方法采用隐式耦合的求解方式,以双时间方法进行推进来模拟直升机着舰过程中着舰域的流场特性。为提高计算效率,旋翼和尾桨采用动量源模型来计算其在流场中的作用。在使用该计算方法的同时,本文采取多项式拟合的方式修正直升机非线性飞行动力学模型的计算结果,以此实现复杂流场中的直升机配平计算。应用所建立的方法,文中以UH⁃60A直升机和SFS2舰船为研究对象,进行了单机的耦合CFD方法的全机配平分析,验证了配平方法的可行性。然后引入了直升机安全着舰判据,利用耦合CFD的配平方法和安全着舰判据,计算了该机/舰组合的理论着舰风限图。

共轴刚性旋翼气动特性试验与分析

共轴刚性旋翼直升机是高速直升机的主要发展方向之一,为了深入了解前进比及升力偏置对共轴刚性旋翼气动特性的影响,在航空工业气动院FL-52风洞开展了共轴刚性旋翼气动特性风洞试验,通过合理的操纵与配平策略,实现了共轴刚性旋翼配平,并对悬停、多种前飞状态下气动特性及升力偏置对旋翼操纵特性及性能的影响机理进行了研究。结果表明,试验取得了比较好的配平效果,桨毂力矩、合扭矩及升力偏置配平误差分别优于±2 N·m、±0.5 N·m、±0.01;悬停状态扭矩配平与非配平状态下,上旋翼效率都大于下旋翼,差动总距效率随联动总距的增大而增大;前飞状态升力偏置可有效提升大前进比时旋翼气动效率而小前进比时则并不明显,升力偏置的增大会使上下旋翼的桨毂滚转力矩大幅增加。

火星六旋翼无人机旋翼气动外形稳健设计与优化

火星大气密度极低、热容小,致使火星的大气压和大气密度伴随着温度大幅度变化,具有较强的不确定性。针对单一大气密度进行旋翼确定性气动设计,可能导致旋翼在非设计点功耗大幅增加,影响火星无人机的正常使用。为了避免上述问题,本文从火星大气环境研究入手,建立火星大气密度概率分布模型。针对应用潜力更大的火星六旋翼无人机,采用黏性涡粒子方法建立火星大气环境下高置信度的旋翼精细化气动模型,并通过快速非支配排序遗传算法Ⅱ开展旋翼气动外形的稳健设计优化。设计得到的旋翼气动外形方案在面对火星大气密度变化时能保持较好的气动性能,且具备更强的稳健性,有利于火星六旋翼无人机在不同大气环境下执行更远距离、更长时间的火星探测任务。

全电高速无人直升机电池风冷散热能力研究

全电高速无人直升机存在电池功率大、内部空间小等特点,对内部电池的散热能力提出了更高的要求。为研究全电高速无人直升机内部电池模组的散热性能,本文首先利用计算流体力学(CFD)计算不同通风口布置形式下全电高速无人直升机各通风口的流动特性、进气量和阻力;随后基于外流场的计算结果,计算全电高速无人直升机机舱内各电池模组在直升机前飞和悬停状态下的表面散热能力和舱内流场,并分析表面散热能力随进气口格栅下偏角度的变化。计算结果表明,在舱内气流速度和湍流度的共同作用下,直升机舱内上、下层设备舱内电池模组在前飞和悬停状态下呈现不同的变化规律;最后基于各电池模组表面散热能力随进气口格栅下偏角度的变化规律,得出下层通风口进气格栅下偏80°,上层通风口进气格栅下偏20°时,舱内电池模组散热能力最强,为全电高速无人直升机风冷散热方案提供参考依据。

基于多项式响应面MDOE的低速风洞试验方法研究

现有的基于各类统计模型的现代试验设计(MDOE)方法存在计算量大、建模较复杂导致整体风洞试验效率下降的不足。针对这一问题,本文提出一种将多项式响应面模型与现代试验设计相结合的优化设计方法。采用中心复合设计在自变量区间中划分试验点并进行风洞试验获取气动力,利用最小二乘法确定多项式待定系数,构建响应面模型,并进行方差分析及显著性检验,最后选取了5个传统单变量(OFAT)方法试验点检验响应面模型的拟合精度。结果表明,与传统单变量风洞试验方法相比,本文提出的基于多项式响应面MDOE的低速风洞试验方法具有建模容易、计算量较小、预测校准的优点,可使试验样本点减少50%左右,能够有效提升风洞试验效率。

后缘调整片对桨叶翼型气动特性的影响

直升机桨叶失速颤振后更容易引起旋翼操纵载荷的突增,为此提出增加桨叶后缘调整片的方案。以直升机常用桨叶翼型为基准翼型,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟翼型气动特性,离散格式采用二阶迎风格式,湍流模型选择Spalart-Allmaras模型,并通过风洞试验结果验证了计算的准确度。分析了后缘调整片弯折角对翼型升力系数、阻力系数、力矩系数、升阻比等气动特性参数的影响。数值结果表明:随着后缘调整片弯折角的增加,翼型的升力系数和升阻比增加,零升攻角和失速攻角减小;在小攻角范围内,后缘调整片对翼型的阻力系数影响不大;后缘调整片弯折角的增加使得翼型的气动中心和焦点后移,但是会增加翼型的低头力矩。

倾转旋翼/机翼连续过渡状态气动性能仿真分析

基于重叠网格,构建适用于连续倾转过渡状态模拟的数值计算框架.针对无人机中的2个重要部件——旋翼和机翼,模拟旋翼/机翼系统从固定翼模式倾转至直升机模式的过渡状态.采用雷诺平均方程,比较不同前进比下的气动性能变化,分析侧风风速对过渡状态的气动性能影响.结果表明,机翼升阻力系数随着倾转角的增大而减小,变化程度随着前进比的增大而减小;旋翼拉力随着倾转角的增大而增大,变化程度随着前进比的增大而增大.当来流存在侧风情况时,机翼升阻力系数减小,在倾转角到65°后侧风风速较小时的机翼性能有一定提升.旋翼的拉力系数大小受侧风影响不大,但振荡幅度会因此增大.

舰船尾流场实船测量技术浅析

舰船尾流场是影响舰载直升机安全起降的关键环境条件,其实船测量技术的发展一直备受关注。本文从分析国内外舰船尾流场实船测量研究现状入手,梳理出拉烟形态显示、方向动压探针阵列测量、超声波测风、激光测风雷达、量子测风雷达等5种典型尾流场实船测量技术,并依据主要性能指标对这5种技术进行对比分析,最后对舰船尾流场实船测量技术发展进行总结与展望。

火星直升机旋翼翼型气动特性研究

受火星稀薄大气影响,火星直升机旋翼工作在低雷诺数、高马赫数的特殊气动环境下,旋翼翼型的气动特性与地球常规翼型具有较大差别。采用CFD方法开展火星直升机旋翼翼型数值计算研究,分析翼型相对厚度、弯度及最大弯度位置等几何参数对翼型气动性能与流动特性的影响,为火星直升机旋翼翼型的研究提供参考。同时,通过对几种典型的低雷诺数翼型的气动性能进行计算分析,发现CLF5605翼型的综合性能更为优异,更符合火星直升机对旋翼翼型的要求。

倾转机翼旋翼无人机倾转过渡状态数值模拟

倾转机翼旋翼无人机相较于传统构型倾转旋翼机能够显著改善悬停状态旋翼尾迹对机翼的气动干扰影响,提高飞行效率。针对该构型无人机具有复杂非定常气动特性的连续倾转过渡过程,采用由经典的分离涡模拟方法(DES)改进得到的延迟分离涡模拟方法(DDES)对其进行流场气动干扰计算,倾转过渡过程中无人机前飞速度、旋翼桨距角、机身与固定翼迎角以及短舱倾转角都随时间动态变化。通过与无倾转机翼传统构型对比,分析了倾转过渡过程气动性能变化以及流场机理。仿真计算结果表明,倾转初始状态无人机受到旋翼下洗流影响较小,在30°短舱倾转角以前的倾转过程,由于倾转机翼段阻力增大,导致旋翼需用拉力增大。倾转机翼段在倾转过程中产生的分离涡与旋翼下洗流尾迹产生碰撞干扰,导致在机翼翼梢位置产生更大的尾迹干扰区域,并且对内侧固定翼翼梢产生下洗效果,降低了整机升力。

热带海岛典型地貌风场特性的无人机实测

利用双无人机测风系统实测海岛三类典型场地的风场特性,并与多国风荷载规范对比。结果表明,近海岸、低矮温室基地、多高层建筑群实测风剖面分别与中国规范A类、日本规范Ⅲ类、美国规范B类剖面较吻合。近海岸湍流强度小于各国规范,低矮温室、多高层建筑群实测值分别与日本规范Ⅲ类、Ⅳ类场地值较吻合。阵风因子随粗糙度、湍流强度提高而增大,近海岸、多高层建筑群阵风因子与湍流强度相关性分别接近Ishizaki、Cao建议模型。实测积分尺度随高度而增大,随粗糙度而减小,提出热带海岛典型地貌的积分尺度公式。同一地貌的风速竖向、水平相关性随高差、水平间距增大而减弱;同一高差的风速竖向相关性随粗糙度提高而减弱。von Karman谱能较好地描述热带海岛脉动风在频域内的能量分布特性。

旋翼翼型动态风洞试验技术研究

旋翼翼型的设计优化及性能确定亟须建立并发展翼型动态风洞试验技术。通过动力学仿真与结构优化设计,基于FL–11低速风洞研制出旋翼翼型两自由度动态试验装置,可实现俯仰/沉浮单自由或两自由度耦合运动,最高振荡频率达到5 Hz;基于FL–20连续式跨声速风洞研制出旋翼翼型高频高速动态试验装置,最高振荡频率达到17 Hz,试验最高雷诺数为5×106,模拟参数包线满足真实直升机参数要求;基于FL–14低速风洞研制出大尺度旋翼翼型动态试验装置,翼型模型弦长为800 mm,试验最高雷诺数达到4×106。完善了旋翼翼型动态试验精准测试相关技术,并开展了验证性试验,试验数据规律合理、量值可靠,表明试验系统及相关测试技术具有较高的可靠性,可为旋翼翼型动态气动特性试验评估提供重要的设备平台和技术支撑。

基于无人机航拍的近地风场类别确定方法

应用无人机航拍城市地区地面的照片,通过对照片进行识别可快速获取地面建筑物信息,进而有效地获得测区内地貌状况并且实现参数化.通过建立地面粗糙度Z0与地面粗糙度指数α的对应关系可以确定该地区近地风场类别,同时应用无人机搭载风速仪对该地区的风场和风剖面进行实测并通过分析获得了该地区的近地风场类别,进而对采用两种方法获得的近地风场类别识别结果进行了比较.结果表明,通过这两种方法判定的场地类别一致,且相对误差在5%以内.该研究实现了依据实际地貌判定同目标建筑相关的风场类别,所用方法具有广泛的适用性,研究结果可为城市地区的建筑抗风设计提供新思路.