傾轉(zhuǎn)旋翼機非定常氣動特性分析及氣動設(shè)計研究.pdf

1、傾轉(zhuǎn)旋翼機作為一種獨特的飛行器，同時擁有直升機的垂直起降和螺旋槳飛機的高速巡航能力。但是在結(jié)合了直升機與固定翼飛行器優(yōu)點的同時，也引入了相對于單一直升機飛行模式與飛機飛行模式更為復(fù)雜的氣動問題，例如巡航和懸停狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼非定常流場和氣動特性、滿足多工作模式要求的傾轉(zhuǎn)旋翼氣動設(shè)計、復(fù)雜的傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動干擾等。因此，深入開展傾轉(zhuǎn)旋翼機非定常氣動特性分析及氣動設(shè)計研究對提高傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動性能具有重要的學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用

2、價值。本文基于新型運動嵌套網(wǎng)格系統(tǒng)，開展了傾轉(zhuǎn)旋翼機的高效、高精度CFD方法研究，并應(yīng)用建立的數(shù)值模擬方法分別針對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動設(shè)計、過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼氣動特性、傾轉(zhuǎn)旋翼/機身氣動干擾開展了深入分析研究，并進行了傾轉(zhuǎn)旋翼機槳尖渦流動機理以及旋翼/機翼氣動干擾特性的初步試驗研究。主要研究工作包括以下幾個方面：
　　作為前提和背景，首先闡述了論文的研究目的及意義，概述了傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳氣動設(shè)計、傾轉(zhuǎn)旋翼過渡狀態(tài)、傾轉(zhuǎn)旋翼/機身氣動干

3、擾等的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究中存在的不足，并相應(yīng)的提出了本文擬采用的研究方法及內(nèi)容。
　　在第二章，針對不同飛行狀態(tài)的復(fù)雜傾轉(zhuǎn)旋翼機構(gòu)型和傾轉(zhuǎn)旋翼的運動特性，基于三維Poisson方程，分別建立了適用于槳葉氣動外形優(yōu)化分析以及傾轉(zhuǎn)旋翼機干擾分析的運動嵌套網(wǎng)格生成方法，并提出了多層運動嵌套網(wǎng)格系統(tǒng)。為了提高傾轉(zhuǎn)旋翼運動嵌套網(wǎng)格方法中洞邊界生成和貢獻單元搜尋的效率，提出了“逆向邊界（Reverse Boundary）”挖洞方法

4、和“局部索引（Local Inverse Map）”貢獻單元搜尋方法。與此同時，基于“多向投影”挖洞技術(shù)，提出了適合傾轉(zhuǎn)旋翼機干擾分析的高效組合嵌套網(wǎng)格方法。經(jīng)數(shù)值算例驗證了提出的網(wǎng)格生成方法和運動嵌套網(wǎng)格方法的有效性。
　　在建立的網(wǎng)格生成方法基礎(chǔ)上，第三章構(gòu)建了適用于不同飛行狀態(tài)下的傾轉(zhuǎn)旋翼及傾轉(zhuǎn)旋翼機的非定常流場數(shù)值模擬方法。將Navier-Stokes方程作為流場分析的控制方程，空間離散采用Jameson中心差分格式，湍流

5、模型選取了一方程S-A模型，非定常時間推進采用了雙時間方法，偽時間迭代為隱式無矩陣存儲LU-SGS格式。針對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動特性、傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計、傾轉(zhuǎn)旋翼機干擾特性等研究過程中對分析方法精度和效率要求的差異性，分別提出并建立了適用于傾轉(zhuǎn)旋翼模擬的RBM、SRMS、HBM方法。為了克服傳統(tǒng)動量源方法過多簡化槳葉氣動外形以及對槳葉流場離散效應(yīng)模擬方面存在的不足，提出了一種非定常動量源（BFMS）方法。為提高傾轉(zhuǎn)旋翼機復(fù)雜流場模擬的計算效率，針對不

6、同的計算規(guī)模分別發(fā)展了基于共享存儲式內(nèi)存OpenMP技術(shù)和分布式存儲MPI技術(shù)的并行加速方法。通過翼型、機翼、旋翼、飛行器等不同流場算例計算，驗證了建立的數(shù)值模擬方法的有效性，為進一步開展傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動問題的研究奠定了分析方法基礎(chǔ)。
　　鑒于傾轉(zhuǎn)旋翼懸停工作模式和巡航工作模式對其氣動外形設(shè)計存在的設(shè)計矛盾問題，在第四章提出并建立了一個高效的傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳槳葉的“分層優(yōu)化設(shè)計”方法。其中，運用高效的動量—葉素理論開展槳葉的初步設(shè)計

7、，并通過將基于置換遺傳算法優(yōu)化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和徑向基函數(shù)(RHF)的代理模型優(yōu)化方法引入槳葉外形的優(yōu)化設(shè)計，降低了設(shè)計的計算代價?；趧恿坷碚摵腿~素理論，建立了適用于設(shè)計狀態(tài)配平的操縱量預(yù)測方法，考慮直升機旋翼和螺旋槳的性能評價指標(biāo)特點，給出了傾轉(zhuǎn)旋翼的綜合氣動性能指標(biāo)。然后，基于建立的優(yōu)化設(shè)計方法開展了不同槳葉構(gòu)型（扭轉(zhuǎn)、弦長、前后掠、三維槳尖）對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動性能影響規(guī)律的分析。隨后，嘗試分析了不同轉(zhuǎn)速、直徑

8、對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動特性的影響特性，提出了保留槳葉尖部高升力翼型的變直徑構(gòu)型能進一步提高傾轉(zhuǎn)旋翼的巡航氣動性能。在此基礎(chǔ)上，開展了滿足懸停性能和高速巡航飛行要求的傾轉(zhuǎn)旋翼氣動設(shè)計，得到了一類具有典型特征的高性能傾轉(zhuǎn)旋翼氣動布局優(yōu)化方案。
　　為了探索過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼的非定常氣動特性及旋翼/機翼氣動力的匹配關(guān)系，第五章通過耦合BEMT、SRMS、RBM氣動模型和Newton迭代方法建立了能用于傾轉(zhuǎn)旋翼過渡飛行特性分析的氣動力匹配方法

9、。然后，基于多層運動嵌套網(wǎng)格方法，采用SRMS和RBM方法分別開展了過渡狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼非定常流動機理的數(shù)值模擬研究。接著，采用建立的傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼配平分析方法，研究了連續(xù)過渡過程中的傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼氣動力匹配準(zhǔn)則。最后，對傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼的過渡飛行特性進行了計算分析，并初步揭示了過渡飛行中傾轉(zhuǎn)旋翼非定常流場的渦流動特性。
　　在第六章，針對懸停狀態(tài)下的傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動干擾問題，分析了不同旋翼/機翼間距、機翼迎角、前掠、變機翼構(gòu)型對氣動干

10、擾特性的影響，模擬了傾轉(zhuǎn)旋翼機特有的“噴泉效應(yīng)”，獲得了相應(yīng)的參數(shù)影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分別開展了不同變機翼構(gòu)型和襟翼角（被動降載）、定常射流（主動降載）、綜合降載措施、動態(tài)機翼對氣動干擾的優(yōu)化效果的對比分析，并通過三維全尺寸模擬驗證了降載措施的實際降載效果，發(fā)現(xiàn)PFC和AFC方法能夠較好的降低懸停下的旋翼/機翼氣動干擾，綜合降載控制方法相對于單一的被動降載方式具有明顯的降載優(yōu)勢，動態(tài)機翼構(gòu)型在降載方面有較大的潛力。
　　針對傾轉(zhuǎn)

11、旋翼機旋翼/機身之間存在的復(fù)雜氣動干擾特性，在第七章開展了初步試驗與數(shù)值研究。首先，基于PIV技術(shù)測量了不同總距時旋翼/機身干擾流場，揭示了傾轉(zhuǎn)旋翼機的典型“噴泉效應(yīng)”現(xiàn)象，并分析了旋翼/機翼間的氣動干擾形成機理。然后，結(jié)合建立的數(shù)值模擬方法綜合分析了旋翼與機翼垂直間距變化對傾轉(zhuǎn)旋翼流場及氣動力的影響特性。接著，測量并分析了不同旋翼/機翼間的垂直間距和水平間距對旋翼/機翼干擾氣動特性的影響，結(jié)果表明垂直間距和水平間距的變化會對旋翼/機翼