微小型旋翼懸停流場的數(shù)值研究.pdf

1、微型化是目前飛行器的一大發(fā)展趨勢。微小型旋翼飛行器具有機(jī)動性能好，可懸停及自懸下降等獨特性能，在軍事及民用方面都有潛在的應(yīng)用前景，因此，在過去的幾年里得到了廣泛關(guān)注。由于飛行雷諾數(shù)低及槳葉的高速旋轉(zhuǎn)等因素，微小型旋翼的流場體現(xiàn)出分離流動、尾跡渦、槳渦干擾等許多復(fù)雜特征，目前研究尚處于起步階段。本文在總結(jié)旋翼研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，采用CFD方法對微小型旋翼的懸停流場進(jìn)行了研究。 研究內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1．為了有效地

2、描述旋翼的旋轉(zhuǎn)運動，合理地生成旋翼系統(tǒng)的計算網(wǎng)格，本文研究并應(yīng)用了嵌套網(wǎng)格技術(shù)。在研究過程中，對槳葉生成高質(zhì)量的C型網(wǎng)格，來模擬物面附近的粘性流動及捕捉近場尾渦，同時，針對懸停流場的圓柱特征，采用近似柱型的背景網(wǎng)格來捕捉遠(yuǎn)場尾渦，槳葉網(wǎng)格與背景網(wǎng)格間通過三線性插值來進(jìn)行流場信息的交換。 2．為了減小采用CFD方法來研究旋翼流場時對計算量的要求，在充分考慮懸停流場結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，本文采用如下的計算策略：1)考慮在遠(yuǎn)離槳葉的流場，

3、流動近似無粘，因此在槳葉網(wǎng)格上采用雷諾輸運的Navier-Stokes方程作為控制方程，而在背景網(wǎng)格上采用Euler方程作為控制方程，從而在很大程度上減少計算量；2)本文選取固連于旋翼的非慣性旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，并對旋翼在該坐標(biāo)系下的控制方程進(jìn)行了嚴(yán)格推導(dǎo)，在該坐標(biāo)系下來觀察流體的絕對運動，懸停流場實際是定常流場，計算簡便許多；3)由于懸停流場具有對稱性，針對二槳葉的旋翼系統(tǒng)，計算在一個槳葉上進(jìn)行，通過在背景網(wǎng)格上實施對稱條件來達(dá)到對整個流場的

4、模擬。 3．考慮懸停流場中槳盤下方尾跡渦的完全卷起大多屬無拈流動，而且目前許多尾跡模型存在缺陷，在本文的計算中，借用Riemann不變量來處理遠(yuǎn)場邊界條件，并對其進(jìn)行合理修正，尾渦系統(tǒng)作為解的一部分而存在，而沒有采用任何尾跡模型。 4．在具體求解過程中，采用中心有限體積法對控制方程進(jìn)行空間離散，在時間方向應(yīng)用五步混合Runge-Kutta格式進(jìn)行積分，同時，采用當(dāng)?shù)貢r間步長及隱式殘值光順等措施來加速計算過程的收斂。