基于自由尾迹和升力面方法的双旋翼悬停气动干扰计算

建立了一个同时适合于共轴式、横列式及纵列式直升机双旋翼气动干扰分析的计算方法。在该方法中,为更好地模拟气动干扰特性及桨尖三维效应,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,验证了计算方法的有效性。应用该方法,以横列、共轴、纵列式双旋翼为例,分别计算了悬停状态双旋翼的尾迹特性及诱导速度变化,给出了部分尾迹边界,并对计算结果进行了分析。最后,给出了几点结论。

基于自由尾迹方法的共轴式双旋翼流场分析

建立了一个适合于共轴式直升机双旋翼流场特性分析的自由尾迹计算方法。该方法中,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型,以更好地模拟流场特性及计入桨尖三维效应。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,表明了该计算方法的有效性。然后,着重计算分析了共轴式直升机的旋翼尾迹结构和诱导速度分布,并与单旋翼情况进行了对比。结果表明:悬停时,与单旋翼相比,共轴式双旋翼在旋翼下方的诱导速度更大,但并非两幅单旋翼诱导速度的迭加;前飞时,随前飞速度的增加,上下旋翼间的相互干扰逐渐减弱。

基于时间推进自由尾迹法的水平轴风力机气动特性分析

建立适合于水平轴风力机气动特性分析的自由尾迹计算方法。该方法中,桨叶模型采用Weissinger-L升力面模型,转子自由尾迹的求解采用时间推进方法,数值求解方法采用4阶Adams-Moulton预估–校正算法以提高计算精度。应用所建立的方法对模型风力机处于轴向来流工况时的尾迹形状和气动特性进行计算,并与文献实验数据进行比较,验证了该方法的有效性。最后计算了来流风偏转和桨叶桨距角增加时尾迹形状的非定常畸变及气动载荷特性,得出一些有意义的结论。

两种自由尾迹模型在风力机气动性能预测中的应用

分别采用空间迭代法以及时间步进法的自由尾迹计算模型对风力机的尾迹进行预测。结合相应的算例以及模型特点预测风力机在正对来流、偏航以及变工况下的风力机尾迹形状并与相应的实验值进行比较。结果表明,在计算稳态工况时,空间迭代法可以快速稳定的预测出尾迹形状,而时间步进法在计算稳态工况时可以很好的收敛到初始值,而其瞬态特性保证该方法可以计算风力机在变工况下的气动特性。两种方法得到的尾迹形状基本反映叶尖涡结构的特性,可以用来作为升力线、升力面等工程模型算法的尾迹部分,用以进行水平轴风力机的气动性能预测。

基于自由尾迹分析的直升机旋翼下洗流场计算方法

建立一个包含机身影响的旋翼自由尾迹分析模型,以用于实际直升机旋翼和机身组合时的旋翼诱导速度场计算,为火箭导弹发射提供一个旋翼下洗流场计算方法。在该模型中,使用一个卷起桨尖涡模拟尾迹的影响,采用二阶升力线理论代替桨叶的作用,并采用一个源面元模型计入机身对旋翼尾迹的诱导和堵塞等影响;分别以美国佐治亚理工学院和马里兰大学所采用的旋翼/机身组合模型为算例,对多种状态进行计算;将计算的旋翼流场定常和非定常速度与可得到的实验结果进行对比,表明了本方法的有效性。

基于Navier-Stokes方程/自由尾迹/全位势方程的旋翼流场模拟混合方法

为充分考虑旋翼尾迹对流场的影响和减少尾迹的数值耗散,建立了一个基于Navier-Stokes方程/自由尾迹分析/全位势方程的旋翼流场求解的新的混合方法。该方法的求解域由三部分组成:一是围绕旋翼桨叶周围的粘性区域,采用可压Navier-Stokes方程来捕捉近场信息,包括激波及尾迹;二是离桨叶较远、粘性可以忽略的等熵流区域,以全位势方程来描述其流动;三是在无粘区域中嵌入自由尾迹模型,模拟桨尖涡从粘性区域进入势流范围的发展变化。为便于流场分区求解和信息传递,采用了嵌套网格方法,并给出了不同区域之间的信息传递方法。以两叶的Caradonna&Tung模型旋翼和四叶的UH-60A直升机旋翼为算例,计算给出了旋翼桨叶表面的压强分布以及桨尖涡的位置,并与可得到的试验数据及无尾迹模型方法的计算结果进行了对比,表明本文的混合方法能够很大程度地减少旋翼尾迹的数值耗散。

基于自由尾迹/面元法的旋翼下洗干扰计算和直升机配平

基于自由尾迹/面元法的耦合方法,建立了一种旋翼气动干扰模型和直升机配平计算模型.采用自由尾迹方法和升力面理论计算旋翼尾流带来的气动干扰,使用三维面元模型代替机身,采用涡镜像法模拟机身对尾迹的诱导和堵塞.以UH-60A直升机为算例,基于耦合方法,分别计算了旋翼尾迹形状以及尾迹对机身、平尾和尾桨的下洗速度,并与风洞试验结果对比.最后将自由尾迹/面元耦合法与直升机飞行力学模型嵌套,完成了配平计算,并与试飞结果和涡粒子模型计算结果进行了对比,结果的一致性证明了本方法的有效性.

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算例，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、桨距角和桨叶片数时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。

基于自由尾迹的共轴直升机航向/总距解耦分析

共轴式直升机的航向操纵主要依靠上下旋翼的总距差动实现,在总距和航向操纵上有较强的耦合.利用自由尾迹算法对在研小型共轴式直升机悬停时的航向和总距间的解耦进行了计算,得到了悬停时航向与总距操纵时上下旋翼的总距配合曲线,总结了解耦控制的特点并根据数值计算结果拟合出了近似的解耦函数,计算结果对飞控系统的设计具有重要的指导意义.

纵列式直升机双旋翼流场特性的自由尾迹分析

将旋翼尾迹模型与旋翼配平模型进行耦合求解,建立了一个分析纵列式双旋翼流场的迭代计算方法。为充分模拟双旋翼的干扰影响及桨尖三维效应,使用了畸变的自由尾迹模型,桨叶模型则采用升力面/涡格方法。应用该耦合方法,计算分析了纵列式直升机双旋翼在干扰状态下的尾迹结构及旋翼重叠区域的流场特性,并与单旋翼做了比较。计算表明,悬停时,纵列式双旋翼重叠区下方的下洗速度大于单副旋翼的诱导速度,但小于两副旋翼诱导速度的简单迭加;前飞时,随飞行速度的增大,尾迹重叠区域减小,两副旋翼相互间的干扰也逐渐减弱。

基于自由尾迹方法的风力机气动特性计算

建立了适合于水平轴风力机气动特性分析的自由尾迹计算方法。该方法中,桨叶模型采用二阶升力线理论,尾迹使用畸变的自由尾迹模型,以更好地模拟流场特性及桨尖三维效应,采用松弛迭代方法对尾迹涡线进行离散求解。计算了风力机处于轴流工况时桨尖涡位置及诱导速度分布,并与BEM计算结果和文献实验数据进行比较。结果表明,自由尾迹方法计算结果优于BEM理论,并得到详细的尾迹结构和三维流场,具有较好的实用性。

悬停和前飞状态倾转旋翼机的旋翼自由尾迹计算方法

将倾转旋翼机的旋翼尾迹问题区分为二类,即悬停和前飞等状态的定常尾迹以及过渡飞行状态的非定常尾迹。基于Weissinger L升力面理论和卷起桨尖涡模型,建立了一个悬停和前飞状态的倾转旋翼自由尾迹分析方法。该方法不仅适合于单旋翼尾迹计算,也适用于双旋翼尾迹分析。分别以ATB旋翼和缩比的V 22旋翼为算例,计算了悬停状态的旋翼自由尾迹和诱导速度,并与可得到的试验数据进行了对比,验证了该方法的有效性。本文也对双旋翼的干扰尾迹进行了计算,表明了悬停和前飞状态不同的尾迹干扰影响。

基于时间推进自由尾迹方法的俯仰状态旋翼尾迹和入流特性计算

推导了旋翼俯仰运动时的桨叶挥舞运动方程,给出了桨叶升力面模型和尾迹时间推进预测-校正算法,并结合涡核模型和旋翼配平分析模型,建立了一个时间推进旋翼自由尾迹计算方法。通过计算的旋翼入流值与实验值的对比,验证了计算方法的有效性,利用该方法,计算了旋翼在俯仰运动时尾迹几何形状的畸变特点,并分析了俯仰运动时旋翼的入流特性。

基于自由尾迹方法的电控旋翼气动特性分析

考虑了襟翼偏转对桨叶剖面有效迎角及旋翼尾迹结构的影响,建立了电控旋翼自由尾迹入流模型,并结合电控旋翼带襟翼翼型气动力模型、桨叶挥舞运动模型、旋翼配平模型,建立了一种电控旋翼气动特性分析方法。利用该方法,对某样例电控旋翼悬停和前飞状态的气动特性进行了计算,并将电控旋翼与常规旋翼的气动特性进行了对比分析。结果表明,悬停时,配平所需的电控旋翼襟翼偏角幅值随拉力增加而增加;前飞时,电控旋翼后行桨叶剖面迎角比常规旋翼更大,更可能发生失速。

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.

直升机主、尾桨自由尾迹相互干扰的数值模拟

本文给出了一种新的旋翼和尾桨干扰的数值计算方法，通过对常规直升机旋翼和尾桨自由尾迹相互干扰的数值模拟，给出干扰对旋翼和尾桨非定常气动力以及相应的非定常尾迹几何形状的影响。数值结果表明，悬停时尾桨叶面非定常压力脉动主要是由于在旋翼下洗流的诱导下，尾桨与其自身尾涡干扰引起的。随着旋翼和尾桨间距的增加，旋翼对尾桨气动特性的影响逐渐减弱。

旋翼表面非定常压力脉动计算的三维自由尾迹非定常面元法

利用最新发展的高分辨率三维自由尾迹非定常面元方法计算多叶片直升机旋翼的三线非定常气动力，将风洞实验数据与旋翼在悬停和出现严重桨润干扰的低速前飞下滑状态下的计算结果进行了比较。在悬停时，还与欧拉方法的结果进行了比较。本方法与欧拉方法的结果以及风洞实验结果都吻合很好。

基于PC2B格式自由尾迹方法的旋翼响应特性分析

旋翼自由尾迹模型的建模和桨叶动态响应计算的问题是直升机空气动力学领域中富有关键意义的课题。本文结合桨叶气动模型、旋翼涡尾迹模型、桨叶挥舞动力学模型、"PC2B"尾迹求解算法和旋翼配平模型,建立了一个时间精确的旋翼自由尾迹和桨叶动态气动响应的分析方法,并针对旋翼总距突增时的旋翼载荷和桨叶动态响应进行了计算和分析,得出了一些有意义的结果。

快速多极展开算法在自由尾迹分析中的应用

针对旋翼自由尾迹分析的计算效率问题,对快速多极展开算法(Fast multipole method,FMM)在基于直线涡元的尾迹互诱导速度计算中的应用开展了研究。分别构建了悬停和前飞状态下诱导速度多极展开计算的定义域;在进行远场诱导速度计算时,将直线涡元等效为涡粒,推导了诱导速度的多极展开表达式。通过对悬停和前飞状态下旋翼尾迹中涡元诱导速度的计算,分析了该方法的加速特性和准确性。在此基础上,采用多极展开算法求解了旋翼模型在悬停和前飞状态下的自由尾迹几何形状和桨盘诱导入流分布,并与直接计算结果和实验数据进行了对比,表明FMM算法在提高计算效率的同时能够保持较高的精度。

第二代低阶面元法耦合自由尾迹计算旋翼桨叶气动载荷

采用第二代低阶面元法耦合自由尾迹预估修正法计算旋翼在轴流状态下的气动载荷。在计算中考虑桨叶的三维几何特性,采用矩形、三角形单位平面重构桨叶几何外形;桨叶尾迹采用全展尾迹,其中包括三圈自由尾迹(近尾迹)和四圈远尾迹;并利用桨叶翼型风洞试验数据对气动载荷进行粘性修正。通过和CFD方法进行对比分析,证明了所采用的计算方法的优点。