基于的環(huán)量尾梁設(shè)計(jì)及性能研究王龍

1、532第二十八屆（2012）全國直升機(jī)年會(huì)論文基于NURBS的環(huán)量尾梁設(shè)計(jì)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(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京，210016；2.南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016）摘要：要：新型環(huán)量尾梁能夠?qū)⑿硐孪戳鞯膭?dòng)能轉(zhuǎn)換為平衡反扭矩的側(cè)力并自動(dòng)補(bǔ)償旋翼反扭矩，該技術(shù)可取消直升機(jī)尾槳?；贑平臺(tái)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(shè)計(jì)變量輸出相應(yīng)模型文件。運(yùn)用數(shù)值模擬手段分析了新型環(huán)量尾梁氣動(dòng)性能及流場特性，對(duì)比分析了不同設(shè)計(jì)參數(shù)的環(huán)量尾梁在105到120Kpa進(jìn)口總壓下的的側(cè)向力與扭矩變化規(guī)律。結(jié)果表明：1縫寬度增加可使尾梁在不同工作壓力下提供側(cè)向力與扭矩變化較為平緩；2高壓工作環(huán)境下，導(dǎo)流片適當(dāng)縮短，尾梁氣動(dòng)性能明顯提高。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：科恩達(dá)效應(yīng)環(huán)量控制尾梁計(jì)算流體力學(xué)NURBS1引言引言1935年，亨利科恩達(dá)發(fā)現(xiàn)流體在凸出的物面流動(dòng)時(shí)，由來流方向改為

3、隨著凸出的物體表面流動(dòng)的傾向，即此時(shí)流體會(huì)表現(xiàn)出附壁流動(dòng)效應(yīng)，該效應(yīng)也被稱作科恩達(dá)效應(yīng)?？贫鬟_(dá)效應(yīng)在外流空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展過程中的成功應(yīng)用是環(huán)量控制翼型的出現(xiàn)。這種翼型具備低速飛行時(shí)升力大、巡航時(shí)阻力小的優(yōu)點(diǎn)[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(jī)系統(tǒng)中來，開始了直升機(jī)的無尾槳設(shè)計(jì)與研究[8]。無尾槳設(shè)計(jì)就是對(duì)尾梁采用環(huán)量控制的手段從而把旋翼尾流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成平衡反扭矩的側(cè)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(diǎn)：一是噪音水平降低了25%40%；二是消除了帶尾槳直升機(jī)撞擊障礙物和受外來物損壞的可能性以及對(duì)地面工作人員的威脅；三是不需要減速器，尾傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大大簡化，維護(hù)成本降低；四是不會(huì)產(chǎn)生氣流干擾，改善了直升機(jī)的駕駛品質(zhì)，機(jī)動(dòng)性能提高；五是減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，直升機(jī)懸停時(shí)會(huì)增大旋翼下洗流速，因此增大了環(huán)量控制尾槳產(chǎn)生的側(cè)向力，能夠自動(dòng)補(bǔ)償旋翼反扭矩的變化。1995年南京航空航天大學(xué)羅曉平[9]等人首先對(duì)環(huán)量尾梁開展試驗(yàn)研究，

5、研究結(jié)果表明雙縫效果較好，但是由于當(dāng)時(shí)條件所限，并沒有研究設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)尾梁性能的影響。此外，國內(nèi)全三維尾梁環(huán)量控制氣動(dòng)性能研究文獻(xiàn)報(bào)道較少[1011]。NURBS僅需較小的變量輸入就可完成復(fù)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(shè)計(jì)方法廣泛地用于工程各領(lǐng)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(yīng)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(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)采用參數(shù)

6、化手段設(shè)計(jì)三維完整尾梁結(jié)構(gòu)，運(yùn)用CFD仿真手段研究了雙縫位置角度改變、雙縫噴射角度、導(dǎo)流片長度改變對(duì)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(dǎo)流片長度尾梁半徑遠(yuǎn)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(shè)計(jì)流程圖圖1環(huán)量尾梁模型及設(shè)計(jì)流程3計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果3.1網(wǎng)格及計(jì)算條件

7、為模擬環(huán)量尾梁實(shí)際工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了截流段與尾噴段，通過改變直通尾梁設(shè)計(jì)，來對(duì)比不同參數(shù)對(duì)環(huán)量尾梁性能的影響。尾梁直通段共設(shè)計(jì)4種三維模型，依次命名“M1M4”。模型1的兩道縫位置相對(duì)于Y軸正方向分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)100度、150度，寬度為4mm，尾梁管內(nèi)徑12.2cm，長1m，其他模型相對(duì)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(hào)參數(shù)描述M1狹縫噴射角為30，狹縫寬度為4mmM2把導(dǎo)流片尾部位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，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(shè)置如下：進(jìn)口采用壓力邊界條件，給定總壓105KPa120KPa，計(jì)算間隔為5KPa，靜壓為101325Pa；遠(yuǎn)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(jì)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(duì)應(yīng)的壁面Y均小于1，滿足湍流湍流模型對(duì)壁面Y的要求，湍流模型采用ke模型