05-横流风扇的无尾桨直升机尾梁流场cfd分析-张银辉-5

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1、第二十六届（2010）全国直升机年会论文横流风扇的无尾桨直升机尾梁流场CFD分析张银辉1唐正飞1高卓飞2(1.南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016)（2.中国人民解放军61267部队，北京通州101114）摘要：本文基于美国NOTAR系列直升机的尾梁设计以及横流风扇本身对气流流动控制的特点，提出了一种全新的无尾桨直升机的尾梁设计方案并进行了该尾梁的流场CFD分析。本文首先使用CAD软件设计了这种内置横流风扇尾梁的几何外形，其次借助CFD软件对内置横流风扇尾梁的二维简化模型进行了流场分析以及升阻力特性的探讨。关键词：无尾桨直升机；横流风扇

2、；计算流体力学（CFD）；1前言麦道公司研制的无尾桨（NOTAR）系列直升机与传统的单旋翼带尾桨直升机相比，安全性高，噪音低，振动小，因此在民用和军事领域都得到了广泛的青睐。它的主要原理如图所示，在引擎的驱动下，用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用形成反扭力。主旋翼产生的下洗气流从尾梁两侧流经尾梁，发动机产生的压缩空气通过尾梁一侧的向下开槽喷出，促使这一侧的下洗气流向尾梁表面吸附并加速（即所谓射流效应或Coanda效应），形成尾梁两侧气流的速度差，产生向一侧的侧推力，实现没有尾桨的反扭力。图1麦道公司NOTAR系列直升机原理横流风扇（Cross-flowfa

3、n,CFF）是Mortier在1893年发明的，这种风扇的特征是它的纵向长度跟横向直径相比会很大，因此气流在离开端部时会近似地保持二维的形态，并且能够改变气流的流动方向。横流风扇采用装有前倾圆弧叶片的叶轮，叶轮放置在蜗壳中。横流风扇以于它的轻巧，紧凑，安静以及能够提供很高的压力系数而被广泛的应用在空调等一般工业中。1979年Harloff打破了人们对于横流风扇应用的局限，提出了把横流风扇使用到航空上，进行流动控制和实现矢量推力的大胆假设，并首次基于实验的手段研究了横流风扇在较高转速下的流场特性。本文结合了NOTAR系统的设计以及横流风扇的特点，设计了一种新型的无

4、尾桨系统。与NOTAR系统相比，目标是提高其效率，改善尾梁的空气动力特性，以及增加NOTAR系列直升机的机动性。本文目前的研究主要是采用计算流体力学（CFD）和实验的手段来分析这种设计的可行性。基于横流风扇二维的流场特性，本文首先建立了二维的几何模型，借助于CFD软件进行了流场模拟和力学特性的分析。94图2传统横流风扇示意图图3本文设计的新型无尾桨直升机模型图4内置横流风扇尾梁的二维剖面2几何建模及网格生成几何模型如图所示，以GOE570翼型作为尾梁外形的基础，对该翼型进行了改进，内部埋入横流风扇，后缘处安装导流板，目标是用这种形式的尾梁取代NOTAR系统上的环

5、量控制系统，通过控制横流风扇的转速来改善流动控制效果以及获得额外的矢量推力。网格生成如图所示，基于模型内部几何形状的复杂性，在叶片、翼型以及导流板上生成四边形附面层网格来捕捉附面层流动，在流场区域生成三角形网格来捕捉流场中的流动状态，整体网格包括892654个单元。图5叶片附近的网格分布图6模型整体的网格分布3数值模拟方法建立本文通过求解N-S方程来计算整个流场，使用κ-ε湍流模型来模拟湍流，湍流强度为5%，来流为10m/s（模拟旋翼桨盘的下洗流）,风轮转速为5000rpm，模型尺寸比较小，整个尾梁的展长为0.05m。如图所示流场计算区域取15c×15c，c为翼

6、型的弦长，计算区域外边界都使用开放条件，定义来流速度，和出口压力相对值。整个流场计算使用瞬态模拟，残差标准小于10e-5，整个计算模拟风轮旋转了30圈，得到了比较稳定的气动力值。94图7计算区域及边界条件设置数值模拟主要方程：连续性方程：（1）动量方程:（2）κ-ε湍流模型方程：（3）（4）其中为常数，分别为。和代表浮力的影响程度，本文中所有计算不考虑浮力，故、均为0。代表粘性力，本文计算考虑粘性力的影响。4算例验证以及计算结果分析4.1算例验证本文模型的流场分析中，由于横流风扇是旋转的，内部流场存在复杂的偏心涡，所以横流风扇内部流场的模拟是本文数值模拟的关键，

7、因此本文首先针对横流风扇，进行了单独的内部流场计算模拟。为了验证本文算法的可靠性，本文选用了和美国海军研究生院相近的模型进行了CFD模拟，并对计算的结果进行了对比。下面是马赫数分布云图的对比，可以发现本文的计算结果跟美国海军研究院的结果的是基本一致的，稍微有点出入的地方，主要是由于几何建模时，模型几何形状的细节不同造成的，所以本文针对横流风扇的算法是可靠地，同时这套算法用于计算内置横流风扇的尾梁也是可行的。图8美国海军研究生院与本文CFD模拟得到的横流风扇内部流场的马赫数分布云图比较944.2内置横流风扇的流场特性分析图9风扇转（8000rpm）与不转时，流场的

8、速度矢量对比图10风扇转