直升機(jī)旋翼非定常動(dòng)態(tài)失速的CFD模擬及其主動(dòng)流動(dòng)控制研究.pdf

1、直升機(jī)旋翼動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象對(duì)旋翼氣動(dòng)特性及振動(dòng)特性等有重要影響，從而限制著直升機(jī)的飛行包線、機(jī)動(dòng)飛行性能和振動(dòng)水平。揭示動(dòng)態(tài)失速對(duì)旋翼非定常流場(chǎng)及氣動(dòng)特性的影響機(jī)理，抑制旋翼動(dòng)態(tài)失速的不利影響，進(jìn)而提高旋翼氣動(dòng)性能的研究一直是直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。本文基于新型旋翼運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格生成方法，開(kāi)展了旋翼非定常流場(chǎng)求解的高效、高精度CFD方法研究，并著重對(duì)旋翼非定常動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象展開(kāi)數(shù)值模擬與機(jī)理分析；在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了合成射流方法

2、、動(dòng)態(tài)下垂前緣方法以及二者結(jié)合的新型組合控制策略對(duì)旋翼及翼型動(dòng)態(tài)失速特性影響規(guī)律的數(shù)值分析，并進(jìn)行合成射流控制翼型失速特性的試驗(yàn)研究。主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　　作為前提和背景，本文首先闡述了旋翼CFD方法、動(dòng)態(tài)失速分析以及旋翼主動(dòng)流動(dòng)控制方法研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，指出了開(kāi)展旋翼動(dòng)態(tài)失速特性數(shù)值研究及其主動(dòng)流動(dòng)控制機(jī)理分析的重要性，提出了目前研究中仍存在的問(wèn)題及本文相應(yīng)的研究方法。
　　考慮到旋翼槳葉氣動(dòng)外形組成的復(fù)雜特

3、點(diǎn)，基于 Poisson方程求解方法，在論文第二章建立了一套高效、通用的旋翼網(wǎng)格參數(shù)化生成方法，并結(jié)合笛卡爾背景網(wǎng)格組成旋翼運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格系統(tǒng)；針對(duì)嵌套網(wǎng)格方法中關(guān)鍵的洞單元識(shí)別及貢獻(xiàn)單元搜索問(wèn)題，分別建立了通用性好的“擾動(dòng)衍射法”（DDM）和高效的“最小距離法”（MDSDE）。
　　在第三章，基于可壓N-S方程，建立旋翼非定常流場(chǎng)數(shù)值分析的高效、高精度CFD方法。為降低非物理數(shù)值耗散，分別采用Roe格式和AUSM類格式對(duì)無(wú)粘通量進(jìn)

4、行離散；為模擬非定常特性，采用了雙時(shí)間方法，其中偽時(shí)間迭代采用隱式無(wú)矩陣存儲(chǔ)的LU-SGS方法；針對(duì)旋翼流場(chǎng)中可壓流動(dòng)與不可壓流動(dòng)并存的特點(diǎn)，發(fā)展了相應(yīng)的低速預(yù)處理方法；為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，發(fā)展基于Open-MP技術(shù)的并行算法和聚合式多重網(wǎng)格方法。分別采用一方程S-A模型及兩方程k-ωSST模型以有效模擬旋翼后行槳葉的大范圍氣流分離現(xiàn)象。通過(guò)系統(tǒng)的算例驗(yàn)證，表明建立的CFD方法在捕捉旋翼渦流動(dòng)和氣動(dòng)特性等方面具有高效、高精度的特點(diǎn)，為

5、下一步開(kāi)展旋翼動(dòng)態(tài)失速及其主動(dòng)流動(dòng)控制分析奠定了基礎(chǔ)。
　　運(yùn)用建立的CFD方法，第四章分析了旋翼翼型動(dòng)態(tài)失速過(guò)程中動(dòng)態(tài)失速渦的形成和對(duì)流過(guò)程，并開(kāi)展脫體渦對(duì)翼型氣動(dòng)特性影響的數(shù)值分析；開(kāi)展了旋翼翼型動(dòng)態(tài)失速特性的參數(shù)（減縮頻率、基準(zhǔn)迎角和迎角變化幅值）影響規(guī)律研究；然后，著重分析了前飛狀態(tài)三維效應(yīng)影響下旋翼動(dòng)態(tài)失速中的氣流分離、動(dòng)態(tài)失速渦運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及旋翼氣動(dòng)特性，并與對(duì)應(yīng)二維翼型情況進(jìn)行對(duì)比，分析了旋翼槳葉上軸向誘導(dǎo)速度以及槳葉展

6、向流動(dòng)特性對(duì)旋翼氣動(dòng)特性的影響，并進(jìn)一步獲得了前飛速度對(duì)旋翼非定常氣動(dòng)特性的影響特性。
　　在第五章，基于合成射流激勵(lì)器出口的非定常吹/吸氣速度假定，結(jié)合旋翼及翼型的來(lái)流條件及運(yùn)動(dòng)特性，建立適合于旋翼及翼型主動(dòng)流動(dòng)控制分析的射流控制方程。首先，針對(duì)單純合成射流及射流/主流干擾的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，同時(shí)以TAU0015翼型及VR-7B翼型為數(shù)值算例，驗(yàn)證了分析方法的有效性。然后，分析了合成射流動(dòng)量系數(shù)、偏角、位置及激勵(lì)頻率對(duì)翼型靜態(tài)、

7、動(dòng)態(tài)失速特性控制效果的影響，揭示了射流在抑制翼型氣流分離、改善翼型動(dòng)態(tài)失速特性方面的作用機(jī)理，并解釋了目前在射流參數(shù)分析中存在分歧的原因。進(jìn)一步地，開(kāi)展了合成射流對(duì)旋翼非定常氣動(dòng)特性控制效果的數(shù)值分析，并獲得了有價(jià)值的新結(jié)論，為合成射流在旋翼動(dòng)態(tài)失速控制中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。
　　在第六章，開(kāi)展了動(dòng)態(tài)下垂前緣方法對(duì)旋翼翼型動(dòng)態(tài)失速特性控制效果的分析，獲得了下垂參數(shù)對(duì)控制效果的影響規(guī)律；通過(guò)翼型動(dòng)態(tài)失速動(dòng)態(tài)下垂前緣控制的多目標(biāo)綜合參

8、數(shù)優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)階段性的前緣上翹更有利于旋翼翼型非定常氣動(dòng)特性的改善。開(kāi)展了旋翼動(dòng)態(tài)失速的動(dòng)態(tài)下垂前緣控制分析，獲得了動(dòng)態(tài)下垂前緣改善旋翼氣動(dòng)特性的參數(shù)影響規(guī)律。隨后，提出將合成射流技術(shù)與動(dòng)態(tài)下垂前緣相結(jié)合的控制方法，并應(yīng)用于旋翼（翼型）非定常動(dòng)態(tài)失速的主動(dòng)流動(dòng)控制，發(fā)現(xiàn)了該組合控制方法相對(duì)于單一流動(dòng)控制方法的優(yōu)勢(shì)。
　　最后，設(shè)計(jì)了旋翼翼型氣流分離合成射流控制的風(fēng)洞試驗(yàn)?；谝硇捅砻媪鲃?dòng)的PIV測(cè)速、模型的氣動(dòng)力測(cè)量和邊界層內(nèi)速