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旋翼桨尖涡高精度数值模拟与流动控制研究

付炜嘉  
【摘要】:作为直升机的核心部件,旋翼的性能对整架直升机的安全性、经济性和舒适性具有至关重要的影响,直升机旋翼空气动力学一直是航空领域内的研究热点,旋翼的空气动力学问题则是直升机旋翼空气动力学研究的重要内容。随着计算机硬件水平以及数值计算方法的飞速发展,CFD技术已经成为旋翼空气动力学分析研究的重要手段,在直升机气动设计过程中发挥着重要的作用。桨尖涡在旋翼尾涡流场中起主导作用,旋翼桨尖涡的高精度数值模拟一直是旋翼空气动力学研究中的关键技术及难点。旋翼桨尖涡会给直升机的气动特性带来很多不利的影响,例如桨涡干扰、桨尖涡/机身干扰等,有关旋翼桨尖涡的流动控制技术研究也是近年来的研究热点,旋翼开孔桨尖流动控制技术能够有效地耗散减弱旋翼桨尖涡,减少桨尖涡带来的不利影响,是一种有巨大潜力的流动控制技术。本文开发了基于结构网格动态面搭接技术和五阶Roe-WENO格式的非定常RANS方法和RANS/LES混合方法的旋翼流场计算分析程序,对旋翼桨尖涡进行了精细化数值模拟研究,并在此基础上对旋翼开孔桨尖流动控制技术进行了探索性研究。论文工作主要包括以下几个方面:1、利用结构网格动态面搭接技术实现旋翼的旋转运动,基于三阶Roe-MUSCL格式、双时间步法、k-?SST湍流模型和多块结构网格的MPI并行计算策略,开发了用于旋翼悬停和简单前飞状态流场分析的非定常RANS方法计算程序。通过对旋翼、螺旋桨典型算例的数值模拟分析,验证了该计算程序的可靠性。2、针对传统三阶Roe-MUSCL格式隐含数值耗散过大导致旋翼桨尖涡在计算过程中被耗散减弱的问题,采用五阶Roe-WENO格式对所开发的旋翼流场非定常RANS方法计算分析程序进行了改进,并针对Caradonna-Tung旋翼进行了数值模拟研究,计算结果表明五阶Roe-WENO格式有效地改善了计算程序对于桨尖涡的捕捉效果;在此基础上论文针对旋翼桨尖涡进行了比较系统的分析,研究了旋翼桨尖马赫数及旋翼桨距角对旋翼桨尖涡的影响,研究结果表明:旋翼悬停状态下,旋翼桨尖马赫数主要影响旋翼桨尖涡的强度,旋翼桨尖马赫数越大桨尖涡的强度也越大。旋翼桨距角的大小对于旋翼桨尖涡的发展有着重要影响,桨距角越大,桨尖涡向下发展的程度越大同时向内收缩的程度也越大。论文计算得到的旋翼悬停流场桨尖涡变化规律对于研究悬停状态下的旋翼桨涡干扰、旋翼/机身干扰有重要的意义。3、将采用五阶Roe-WENO格式改进后的旋翼流场非定常RANS计算分析程序对旋翼简单前飞状态(不考虑挥舞、变距)下的流场进行了数值模拟,进一步验证计算程序的可靠性,计算捕捉到了前行桨叶一侧(桨叶旋转方向与来流方向相反)的桨涡干扰现象;旋翼前飞状态下两侧的尾涡形态有明显的差异,前行桨叶一侧有明显的桨尖涡集中涡束。4、针对RANS方法对于复杂湍流流动模拟能力不足的问题,论文对RANS/LES混合方法进行了研究,基于五阶Roe-WENO格式和k-?SST湍流模型实现了DDES方法和IDDES方法的计算程序开发,并针对串列双圆柱标准算例进行了数值模拟,检验论文中DDES方法和IDDES方法对复杂湍流流动模拟的可靠性,对双圆柱算例的计算结果表明:DDES方法计算出的上游圆柱出现了很长的未失稳剪切层,这是DDES方法中的RANS方法保护函数仍未关闭引起的,而IDDES方法将RANS/LES切换向边界层内压迫,因此预测到的上游圆柱剪切层失稳更为准确,计算得到的流场结构也更为丰富,与实验结果更为接近。5、采用所开发的旋翼流场计算分析程序对Caradonna-Tung悬停状态的旋翼桨尖涡进行了高精度数值模拟研究,分别对比了相同网格量级下RANS方法、DDES方法、IDDES方法计算得到的旋翼桨尖涡结构,计算结果表明:DDES方法和IDDES方法对尾迹关注区域内流动细节模拟得更好,计算得到的旋翼桨尖涡结构更为丰富。IDDES方法捕捉到的旋翼桨尖涡附近的细小蠕虫涡结构较DDES方法更加明显,同时IDDES方法计算结果中还可以观察到桨尖涡的“涡核联会”现象,表现出明显的非定常特征,与国外类似旋翼实验得到的现象一致,对于深入研究旋翼流动机理、旋翼/机身干扰问题以及开展高精度旋翼噪声预测有重要的意义。6、采用所开发的旋翼流场计算分析程序对旋翼开孔桨尖控制技术进行了探索性研究,对比分析了开孔前后的旋翼桨尖涡流场,深入探讨了旋翼开孔桨尖技术的流动控制机理,并在此基础上研究了开孔参数对桨尖涡耗散效果的影响,研究结果表明:开孔的直径及数量对桨尖涡耗散减弱效果有明显的影响,在实际应用时需要根据旋翼的型号及飞行状态对开孔参数进行优化设计。论文的研究结果可为旋翼开孔桨尖技术的研究与工程应用提供理论基础与技术参考。


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