悬停状态直升机桨叶扭转分布的优化数值计算

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1、航空学报ActaAeronauticaetAslrOnaulicaSinicaJul．252012V01．33No．71163．1172ISSN1000．6893CN11—1929／VhttpEhkxbbuaaeducnhkxb@buaaedu．cn文章编号：10006893(2012)07一1153—10悬停状态直升机桨叶扭转分布的优化数值计算王博，招启军*，徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，江苏南京210016摘要：建立了一套基于高精度计算流体力学(CFD)技术和代理模型优化算法的旋翼气动外形设计方法。在该方法中，旋翼流场

2、气动性能的计算采用了基于Navier—Stokes／Eu

3、er方程的CFD方法．并根据流场特点、精度和效率的要求采用Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型，通量计算采用RoeMUSCL格式进行。为提高网格生成质量和便于流场控制方程的求解，将流场分成两个区域，即围绕旋翼的黏性区和无黏的背景网格区。其中，桨叶网格使用了基于二维翼型网格的参数化方法生成，数值计算结果表明该方法有效地提高了网格生成质量及效率。在参考旋翼流场及桨叶细节流动分析的基础上给出设计变量及范围，有效减小了优化问题的规模；为满足优化和机理分析的需要，将基于置换遗传算法优化的拉丁超

4、立方(PermGALHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法引人到桨叶外形的优化设计中。首先以Hel—ishape7A旋翼为算例，检验了数值模拟方法的准确性。然后，应用所建立的优化方法针对旋翼负扭转分布进行了优化计算，结果表明优化后的旋翼悬停气动性能比优化前有了明显提高。关键词：旋翼；气动优化；气动性能；Navier—Stokes方程；嵌套网格；代理模型中图分类号：V211．52文献标识码：A旋翼是直升机飞行时主要的升力部件，其气动性能的优劣直接决定了直升机的飞行性能。受材料、加工工艺等技术条件的限制，早期的直升机旋翼桨叶主要采用矩形桨叶

5、、小线性负扭转等设计方案口]。随着材料、加工工艺等技术的进步，早先的问题获得了不同程度的解决，许多新型气动外形桨叶得到了应用。如美国的UH一60、AH一64和欧洲的ECl35等先进直升机均采用了新型桨尖外形设计，有效地提升了直升机性能。这些桨叶已经从早期的简单外形发展到具有特殊平面形状、非线性负扭转等多种外形设计[2]。可见，高性能旋翼气动外形设计已成为现代先进直升机的关键技术之一。由于新型气动外形桨叶的力学特性与常规桨叶明显不同，直接采用试验具有较高的风险，数值模拟方法逐步成为桨叶气动外形设计中不可或缺的研究手段。早期的直升机桨叶优化方法中主要采

6、用动量理论[1—3或者升力线方法[4。5]进行旋翼模拟，这些方法可以高效地计算旋翼的气动性能，但精度不高，不适合用于具有先进气动外形旋翼的高精度气动性能计算。美国的Quackenbush等采用自由尾迹方法进行了悬停及轴流飞行状态旋翼气动外形优化研究[6]，研究表明旋翼桨叶扭转分布是对旋翼性能影响最为重要的参数之一。SyaI和Leishman采用动量叶素理论及自由涡方法对共轴双旋翼直升机旋翼进行了气动优化"]。然而由于涡方法自身的缺陷，难以准确模拟桨叶高速旋转及大桨距状态下的旋翼性能，因此需要采用更收稿日期：2011-09—10；退修日期：2011—

7、12—30；录用日期：2012．02．08；网络出版时间：2012—03—0808：51网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929V20120308．0851．006html基金项目：国家自然科学基金(10872094)*通讯作者Tel：025—84893753E-mail：zhaoqijun@nuaaedu，c,n引用格式：WangB，ZhaoQJ，XuGHNumericaloptimizationofhelicopterrotortwistdistributioninhover．ActaAeronauticaet

8、Astronauti—caSinica，2012，33(7)：¨63—1172I博．招启军．徐匡华．悬停状态i井机桨叶扭转分布的优化数值计算航空学板．2812．33(7)：1163．1172航空学报为精确的旋翼气动计算方法。自2005年以来，法国的LePape等[8。9o采用高精度计算流体力学(CFD)方法和基于梯度方法的优化策略进行了旋翼桨叶数值优化研究，获得了关于旋翼桨叶下反等先进气动外形的初步结果。而国内采用数值模拟方法对具有先进气动外形旋翼设计方法的研究工作开展相对较晚，在理论模拟研究方面，前期的研究主要基于涡方法[1⋯，近年来有学者开始尝

9、试采用高精度CFD方法对桨叶气动外形进行了数值分析并取得了一些成果[11。”]。在旋翼桨叶气动外形优化设计方面，开展的研究