收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

倾转旋翼机非定常气动特性分析及气动设计研究

李鹏  
【摘要】:倾转旋翼机作为一种独特的飞行器,同时拥有直升机的垂直起降和螺旋桨飞机的高速巡航能力。但是在结合了直升机与固定翼飞行器优点的同时,也引入了相对于单一直升机飞行模式与飞机飞行模式更为复杂的气动问题,例如巡航和悬停状态之间转换的关键过渡飞行状态下倾转旋翼非定常流场和气动特性、满足多工作模式要求的倾转旋翼气动设计、复杂的倾转旋翼机气动干扰等。因此,深入开展倾转旋翼机非定常气动特性分析及气动设计研究对提高倾转旋翼机气动性能具有重要的学术和工程应用价值。本文基于新型运动嵌套网格系统,开展了倾转旋翼机的高效、高精度CFD方法研究,并应用建立的数值模拟方法分别针对倾转旋翼气动设计、过渡飞行状态下倾转旋翼气动特性、倾转旋翼/机身气动干扰开展了深入分析研究,并进行了倾转旋翼机桨尖涡流动机理以及旋翼/机翼气动干扰特性的初步试验研究。主要研究工作包括以下几个方面:作为前提和背景,首先阐述了论文的研究目的及意义,概述了倾转旋翼/螺旋桨气动设计、倾转旋翼过渡状态、倾转旋翼/机身气动干扰等的国内外研究现状,指出了现有研究中存在的不足,并相应的提出了本文拟采用的研究方法及内容。在第二章,针对不同飞行状态的复杂倾转旋翼机构型和倾转旋翼的运动特性,基于三维Poisson方程,分别建立了适用于桨叶气动外形优化分析以及倾转旋翼机干扰分析的运动嵌套网格生成方法,并提出了多层运动嵌套网格系统。为了提高倾转旋翼运动嵌套网格方法中洞边界生成和贡献单元搜寻的效率,提出了“逆向边界(Reverse Boundary)”挖洞方法和“局部索引(Local Inverse Map)”贡献单元搜寻方法。与此同时,基于“多向投影”挖洞技术,提出了适合倾转旋翼机干扰分析的高效组合嵌套网格方法。经数值算例验证了提出的网格生成方法和运动嵌套网格方法的有效性。在建立的网格生成方法基础上,第三章构建了适用于不同飞行状态下的倾转旋翼及倾转旋翼机的非定常流场数值模拟方法。将Navier-Stokes方程作为流场分析的控制方程,空间离散采用Jameson中心差分格式,湍流模型选取了一方程S-A模型,非定常时间推进采用了双时间方法,伪时间迭代为隐式无矩阵存储LU-SGS格式。针对倾转旋翼气动特性、倾转旋翼设计、倾转旋翼机干扰特性等研究过程中对分析方法精度和效率要求的差异性,分别提出并建立了适用于倾转旋翼模拟的RBM、SRMS、HBM方法。为了克服传统动量源方法过多简化桨叶气动外形以及对桨叶流场离散效应模拟方面存在的不足,提出了一种非定常动量源(BFMS)方法。为提高倾转旋翼机复杂流场模拟的计算效率,针对不同的计算规模分别发展了基于共享存储式内存Open MP技术和分布式存储MPI技术的并行加速方法。通过翼型、机翼、旋翼、飞行器等不同流场算例计算,验证了建立的数值模拟方法的有效性,为进一步开展倾转旋翼机气动问题的研究奠定了分析方法基础。鉴于倾转旋翼悬停工作模式和巡航工作模式对其气动外形设计存在的设计矛盾问题,在第四章提出并建立了一个高效的倾转旋翼/螺旋桨桨叶的“分层优化设计”方法。其中,运用高效的动量—叶素理论开展桨叶的初步设计,并通过将基于置换遗传算法优化的拉丁超立方(Perm GA LHS)方法和径向基函数(RHF)的代理模型优化方法引入桨叶外形的优化设计,降低了设计的计算代价。基于动量理论和叶素理论,建立了适用于设计状态配平的操纵量预测方法,考虑直升机旋翼和螺旋桨的性能评价指标特点,给出了倾转旋翼的综合气动性能指标。然后,基于建立的优化设计方法开展了不同桨叶构型(扭转、弦长、前后掠、三维桨尖)对倾转旋翼气动性能影响规律的分析。随后,尝试分析了不同转速、直径对倾转旋翼气动特性的影响特性,提出了保留桨叶尖部高升力翼型的变直径构型能进一步提高倾转旋翼的巡航气动性能。在此基础上,开展了满足悬停性能和高速巡航飞行要求的倾转旋翼气动设计,得到了一类具有典型特征的高性能倾转旋翼气动布局优化方案。为了探索过渡飞行状态下倾转旋翼的非定常气动特性及旋翼/机翼气动力的匹配关系,第五章通过耦合BEMT、SRMS、RBM气动模型和Newton迭代方法建立了能用于倾转旋翼过渡飞行特性分析的气动力匹配方法。然后,基于多层运动嵌套网格方法,采用SRMS和RBM方法分别开展了过渡状态下倾转旋翼非定常流动机理的数值模拟研究。接着,采用建立的倾转旋翼/机翼配平分析方法,研究了连续过渡过程中的倾转旋翼/机翼气动力匹配准则。最后,对倾转旋翼/机翼的过渡飞行特性进行了计算分析,并初步揭示了过渡飞行中倾转旋翼非定常流场的涡流动特性。在第六章,针对悬停状态下的倾转旋翼机气动干扰问题,分析了不同旋翼/机翼间距、机翼迎角、前掠、变机翼构型对气动干扰特性的影响,模拟了倾转旋翼机特有的“喷泉效应”,获得了相应的参数影响规律。在此基础上,分别开展了不同变机翼构型和襟翼角(被动降载)、定常射流(主动降载)、综合降载措施、动态机翼对气动干扰的优化效果的对比分析,并通过三维全尺寸模拟验证了降载措施的实际降载效果,发现PFC和AFC方法能够较好的降低悬停下的旋翼/机翼气动干扰,综合降载控制方法相对于单一的被动降载方式具有明显的降载优势,动态机翼构型在降载方面有较大的潜力。针对倾转旋翼机旋翼/机身之间存在的复杂气动干扰特性,在第七章开展了初步试验与数值研究。首先,基于PIV技术测量了不同总距时旋翼/机身干扰流场,揭示了倾转旋翼机的典型“喷泉效应”现象,并分析了旋翼/机翼间的气动干扰形成机理。然后,结合建立的数值模拟方法综合分析了旋翼与机翼垂直间距变化对倾转旋翼流场及气动力的影响特性。接着,测量并分析了不同旋翼/机翼间的垂直间距和水平间距对旋翼/机翼干扰气动特性的影响,结果表明垂直间距和水平间距的变化会对旋翼/机翼的干扰有重要的影响。最后,开展了过渡状态下动态机翼与旋翼的气动干扰的试验与数值模拟研究,得出了一些对高气动性能倾转旋翼机设计有意义的结论。最后,总结了本文开展倾转旋翼机非定常气动特性分析及气动设计的研究工作,罗列了主要创新点,并对未来的工作进行了展望。


知网文化
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978