基于的環(huán)量尾梁設計及性能研究王龍

1、532第二十八屆（2012）全國直升機年會論文基于NURBS的環(huán)量尾梁設計及性能研究王龍1李家春2楊衛(wèi)東2陳琨2田澤1鐘易成1（1.南京航空航天大學能源與動力學院，南京，210016；2.南京航空航天大學直升機旋翼動力學國家級重點實驗室，南京，210016）摘要：要：新型環(huán)量尾梁能夠將旋翼下洗流的動能轉換為平衡反扭矩的側力并自動補償旋翼反扭矩，該技術可取消直升機尾槳?；贑平臺采用NURBS參數(shù)化方法開發(fā)全三維環(huán)量尾梁造型軟件，該軟件可

2、根據(jù)設計變量輸出相應模型文件。運用數(shù)值模擬手段分析了新型環(huán)量尾梁氣動性能及流場特性，對比分析了不同設計參數(shù)的環(huán)量尾梁在105到120Kpa進口總壓下的的側向力與扭矩變化規(guī)律。結果表明：1縫寬度增加可使尾梁在不同工作壓力下提供側向力與扭矩變化較為平緩；2高壓工作環(huán)境下，導流片適當縮短，尾梁氣動性能明顯提高。關鍵詞：關鍵詞：科恩達效應環(huán)量控制尾梁計算流體力學NURBS1引言引言1935年，亨利科恩達發(fā)現(xiàn)流體在凸出的物面流動時，由來流方向改為

3、隨著凸出的物體表面流動的傾向，即此時流體會表現(xiàn)出附壁流動效應，該效應也被稱作科恩達效應?？贫鬟_效應在外流空氣動力學發(fā)展過程中的成功應用是環(huán)量控制翼型的出現(xiàn)。這種翼型具備低速飛行時升力大、巡航時阻力小的優(yōu)點[17]。1976年，美國麥道公司首次把環(huán)量控制的概念引入到直升機系統(tǒng)中來，開始了直升機的無尾槳設計與研究[8]。無尾槳設計就是對尾梁采用環(huán)量控制的手段從而把旋翼尾流的動能轉換成平衡反扭矩的側力，可取代常規(guī)尾槳。與常規(guī)尾槳相比，采用環(huán)量

4、控制的尾梁具備以下特點：一是噪音水平降低了25%40%；二是消除了帶尾槳直升機撞擊障礙物和受外來物損壞的可能性以及對地面工作人員的威脅；三是不需要減速器，尾傳動機構大大簡化，維護成本降低；四是不會產生氣流干擾，改善了直升機的駕駛品質，機動性能提高；五是減輕了駕駛員的負擔，直升機懸停時會增大旋翼下洗流速，因此增大了環(huán)量控制尾槳產生的側向力，能夠自動補償旋翼反扭矩的變化。1995年南京航空航天大學羅曉平[9]等人首先對環(huán)量尾梁開展試驗研究，

5、研究結果表明雙縫效果較好，但是由于當時條件所限，并沒有研究設計參數(shù)變化對尾梁性能的影響。此外，國內全三維尾梁環(huán)量控制氣動性能研究文獻報道較少[1011]。NURBS僅需較小的變量輸入就可完成復雜模型的描述及生成，現(xiàn)已作為一種參數(shù)化曲線曲面設計方法廣泛地用于工程各領域中[12]。采用NURBS方法開發(fā)環(huán)量尾梁幾何造型軟件的意義在于其便捷高效，即通過修改相應參數(shù)可獲取所需模型，因此極大提高了人工效率節(jié)約人力資源。本文以雙縫結構為基礎采用參數(shù)

6、化手段設計三維完整尾梁結構，運用CFD仿真手段研究了雙縫位置角度改變、雙縫噴射角度、導流片長度改變對尾梁性能的影響。2基于基于NURBS的參數(shù)化模型的參數(shù)化模型k次NURBS曲線的有理分式形式如下：534雙縫角度雙縫噴射角度Gambit接口文件雙縫寬度導流片長度尾梁半徑遠場半徑執(zhí)行軟件剖分網(wǎng)格節(jié)流段參數(shù)尾噴段參數(shù)Gambit讀入Jou文件Fluent數(shù)值模擬(c)設計流程圖圖1環(huán)量尾梁模型及設計流程3計算結果計算結果3.1網(wǎng)格及計算條件

7、為模擬環(huán)量尾梁實際工作環(huán)境，設計了截流段與尾噴段，通過改變直通尾梁設計，來對比不同參數(shù)對環(huán)量尾梁性能的影響。尾梁直通段共設計4種三維模型，依次命名“M1M4”。模型1的兩道縫位置相對于Y軸正方向分別順時針旋轉100度、150度，寬度為4mm，尾梁管內徑12.2cm，長1m，其他模型相對于模型1改變的部分見表1。表1直通段模型參數(shù)直通段模型參數(shù)模型編號參數(shù)描述M1狹縫噴射角為30，狹縫寬度為4mmM2把導流片尾部位置逆時針旋轉，縮短5M3

8、把狹縫寬度改為6mmM4把狹縫噴射角由30改為50邊界條件設置如下：進口采用壓力邊界條件，給定總壓105KPa120KPa，計算間隔為5KPa，靜壓為101325Pa；遠場邊界條件給定下洗氣流速度20ms；出口采用壓力邊界條件，給定背壓101325Pa。圖2為環(huán)量網(wǎng)格計算示意圖，圖2(a)表示尾梁直通段噴射縫的網(wǎng)格，圖2(b)表示整體網(wǎng)格。上述模型的第一層網(wǎng)格高度對應的壁面Y均小于1，滿足湍流湍流模型對壁面Y的要求，湍流模型采用ke模型