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復雜的直升機旋翼空氣動力學

嘉峪檢測網(wǎng)        2018-06-19 18:54

直升機作為20世紀航空技術領域極具特色的創(chuàng)造之一，極大地拓展了飛行器的應用范圍。直升機是典型的軍民兩用產(chǎn)品，可以廣泛地應用于運輸、巡邏、救護等多個領域。旋翼是直升機的關鍵部件，為直升機的飛行提供所需的升力、推進力和操縱力。旋翼的氣動特性直接決定了直升機的性能、飛行品質、噪聲輻射和振動特性等，因而旋翼空氣動力學是直升機設計的關鍵技術之一。由于旋翼的風洞實驗技術復雜、費用昂貴，旋翼計算流體力學越來越受到學術界和工業(yè)界的重視。另外，旋翼計算流體力學可以在旋翼的外形優(yōu)化方面發(fā)揮無可替代的作用。到目前為止，旋翼計算流體力學仍然是計算流體力學領域的前沿問題，也是直升機工業(yè)界急需解決的關鍵技術問題。美國空軍甚至將旋翼空氣動力學的研究列為21世紀美國空軍的7個空氣動力學重點研究方向之一。空氣動力學特性

與固定翼相比，旋翼空氣動力學的復雜性（如圖1所示）主要包括：

 

  1. 旋翼所產(chǎn)生的尾渦結構比較復雜，始終在旋翼下方附近，主宰著整個流場，嚴重地改變了槳葉的有效迎角，從而影響旋翼的氣動性能；

     

  2. 直升機在低速下降過程中，前行槳葉產(chǎn)生的槳尖渦會與后行槳葉產(chǎn)生葉渦干擾(Blade-Vortex Interaction, BVI) 現(xiàn)象；

     

  3. 前飛狀態(tài)下，前行槳葉的相對速度較大，而后行槳葉的相對速度較小，后行槳葉為了獲得足夠的升力，必須工作在大迎角狀態(tài)，這樣很容易產(chǎn)生大分離流動，甚至動態(tài)失速；

     

  4. 前行槳葉的相對速度較大，靠近槳尖區(qū)一般都會有激波產(chǎn)生，激波較強時會產(chǎn)生激波-附面層的干擾現(xiàn)象，并誘導邊界層發(fā)生分離；

     

  5. 旋翼流場高低速并存，在跨音速態(tài)下，槳尖有激波產(chǎn)生，槳轂區(qū)為不可壓區(qū)。旋翼流動的這些復雜特征給旋翼流場的數(shù)值模擬帶來了很大的困難。

復雜的直升機旋翼空氣動力學

常見的研究方法

近幾十年來，隨著計算流體力學 (ComputationalFluid Dynamics, CFD) 的發(fā)展和廣泛應用，旋翼CFD也經(jīng)歷了快速發(fā)展?？v觀旋翼CFD的發(fā)展歷程，控制方程經(jīng)歷了小擾動速勢方程、全速勢方程、Euler和Navier-Stokes (NS) 方程四個發(fā)展階段。目前，基于Euler和NS方程旋翼流場的數(shù)值模擬成了當前旋翼CFD的主要研究手段。與Euler方程相比，NS方程更加精確地描述了渦的形成和輸運特性，對流場的描述更加精確。然而以渦為主導的旋翼流場若采用NS方程進行模擬，通常需要巨大的計算網(wǎng)格數(shù)量和較長的計算周期，導致旋翼流場的計算效率低下，成為制約旋翼CFD工業(yè)應用的一個瓶頸。

 

湍流問題至今仍然是困擾整個流體力學界的一個難題，湍流的基本機理至今還沒有完全弄清，這就決定了各種湍流研究方法必然有各自的局限性。

 

湍流的數(shù)值模擬大致可分為三類：

 

  • 直接數(shù)值模擬 (Direct Numerical Simulation, DNS)

     

  • 大渦模擬 (Large Eddy Simulation, LES)

     

  • 求解雷諾平均NS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS) 方程。

 

鑒于前兩種方法需要極大的計算機資源以及方法本身的問題，目前還無法適用于高雷諾數(shù)工程問題的模擬，因而求解RANS方程自然成為工程實際中的最佳方法。

 

近幾年來，西方學者發(fā)展了高階間斷伽遼金方法，該方法的RANS求解雖然得到了西方學者的重視，也取得了一些研究成果，但是由于湍流模型本身存在的魯棒性問題，目前很難直接應用到直升機旋翼流場的數(shù)值模擬中。但是我認為我們可以采用隱式大渦模擬的方法來進行諸如直升機旋翼如此復雜流場的數(shù)值模擬，或者采用RANS和ILES相結合的方法進行計算。即邊界層內部采用RANS，外層采用ILES方法。這雖然是一種折衷的方法但是卻具有更高的穩(wěn)定性。

直升機旋翼CFD的計算網(wǎng)格

目前直升機旋翼CFD采用的網(wǎng)格仍然是多塊重疊網(wǎng)格，但是以美國為代表的西方發(fā)達國家采用的是非結構重疊網(wǎng)格，我國國內仍然以結構重疊網(wǎng)格為主。西方發(fā)達國家同時開發(fā)了自適應網(wǎng)格技術。自適應網(wǎng)格技術在直升機旋翼的數(shù)值模擬中目前是一種發(fā)展趨勢，但國內還比較少見。以高精度算法為基礎的高階曲線網(wǎng)格也是直升機空氣動力學研究的空缺。

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來源：AnyTesting

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