悬停状态倾转旋翼∕机翼干扰流场及气动力的CFD计算

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252014V01．35No2361．371ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．ca悬停状态倾转旋翼／机翼干扰流场及气动力的CFD计算李鹏，招启军*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：基于一套高效通用的多层运动嵌套网格技术，建立了适合悬停状态倾转旋翼机旋翼／机翼气动干扰特性分析的高效混合计算流体力学(CFD)方法。在倾转旋翼／机翼贴体网格区采用可压雷诺平均Na

2、vier—Stokes(RANS)方程作为主控方程，过渡／背景网格区选用Euler方程，湍流模型选用Spalart—Allmaras模型。时间推进上采用双时间推进格式进行非定常求解，并在方法中运用了SPMD(SingleProgramMultipleData)模式的并行加速技术。在此基础上，首先分别采用UH一60A直升机旋翼及XV一15倾转旋翼机旋翼作为数值算例，验证了CFD方法的有效性。然后着重对倾转旋翼／机翼的非定常干扰流场及气动力分布特征进行了数值研究，模拟得到与实际情况相符的“喷泉效应”干扰现象。计算结果表明，干扰作用使得倾转旋翼相对于孤立旋翼拉力数值减小了3

3、％，但总的拉力系数损失达到了17％，证明悬停状态下气动干扰对飞行器气动性能有重要影响。关键词：倾转旋翼机；气动干扰；悬停状态；多层运动嵌套网格；并行计算；计算流体力学中图分类号：V211．52；V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)02—0361—11倾转旋翼机将固定翼飞机的机翼和直升机的旋翼合理地结合起来，使其无论从垂直短距起降能力，还是高速巡航能力方面都具有极大的优势，引起了国内外相关研究人员的广泛关注，并已出现了很多成功机型如XV-15、V一22和BA609等。当前影响倾转旋翼机飞行性能的一个重要因素是悬停状态下旋翼与机翼之间存在强烈

4、的气动干扰。因为此时机翼是固定不动的，从旋翼桨尖脱落的螺旋形桨尖涡不仅在桨叶之间有明显的桨一涡干扰作用，而且诱导产生的下洗流已接近90。方向撞击机翼，继而在机翼上表面出现阻塞的高度三维效应流场，这种强加在机翼上的下洗载荷将对该型飞行器的有效载荷产生重要影响口‘2]。此外，由于悬停状态下倾转旋翼机存在横向对称性，左右机翼上方的气流在接近飞行器对称面处相遇，因而气流转为向上运动。这种运动形成了特有的附着涡分离和气流再入等复杂现象，将直接影响倾转旋翼的气动特性。因此，开展倾转旋翼／机翼干扰流场及气动力研究对于掌握和降低这一干扰问题有重要的实际意义和学术研究价值。悬停状态倾转

5、旋翼／机翼气动干扰研究方法主要包括试验研究和数值模拟两个方面。文献[1]～文献E4-]分别对V一22和XV一15倾转旋翼机进行了实际测量，得出了大量有参考价值的试验数据及现象。采用试验方法固然可以较准确地获得倾转旋翼飞行器的气动特性，但其伴随着高成本、高风险和长周期等缺点，并且试验技术也有很大的挑战性。相比而言，数值模拟方法具有低成收稿日期：2013—03·15；退修El期：2013-04—08；录用5t期：2013·04—18；网络出版时间：2013—05—2012：01网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929V201305201

6、201．002html基金项目：国家自然科学基金(11272150)*通讯作者Tel：025·84893753E-mail：zhaoqijun@nuaaedu．CR礅崩播武

7、LiP．ZhaoQJ．CFDcalculationsontheinteractionflowfieldandaerodynamicforceoftiltrotor／winginhover￡J]．ActaAeronaut#caetAstronauticaSinica，2014，35(2)：361—371．李鹏，招启军．悬停状态颤转旋翼／机翼f扰流场及气动力的CFD计算￡JI．航空学报．2014．35

8、(2)：361-371．航空学报本、可以灵活设定飞行器外形等特有的优势，因而具有潜在的广泛应用前景。在实际运用的数值模拟方法中，国内外研究人员均开展了一些卓有成效的工作口。1⋯。Wag—ner[53采用涡流方法模拟了旋翼／机翼气动干扰特性，着重分析了旋翼对机翼的影响，但未能充分考虑旋翼／机翼之间整体的耦合作用；Hormoz和Ganesh[61使用动量源方法来代表旋翼对流场的影响，初步研究了因倾转旋翼和机翼气动干扰而产生的“喷泉效应”现象，满足了一定的工程应用，但未能定量给出气动干扰的程度。国内方面也已取得了一定的进展：文献E8]-文献Do]分别使用涡