24基于运动嵌套网格的旋翼翼型动态失速数值分析-赵国庆(7)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于运动嵌套网格的旋翼翼型动态失速数值分析赵国庆招启军王清（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，江苏南京，210016）摘要：基于运动嵌套网格和N-S方程，建立了旋翼翼型非定常状态气动特性的数值分析方法。在该方法中，首先采用Poisson方程方法生成围绕旋翼翼型的粘性贴体正交网格，并自动生成相应的笛卡尔背景网格，然后采用最小距离法生成两者之间的运动嵌套网格。在此基础上，以计入粘性影响的雷诺平均N-S方程为流场求解控制方程，采用双时间方法发展了一套旋翼翼型动态失速分析方法，其中旋翼翼型非定

2、常振荡过程的翼型网格和背景网格的信息传递采用双线性插值方法。应用以上方法，以旋翼翼型NACA0012为对象验证了本文动态失速数值模拟方法的有效性，并开展了减缩频率对翼型非定常气动力影响的研究。关键词：旋翼；翼型；运动嵌套网格；动态失速；N-S方程1引言旋翼的动态失速现象对旋翼的升力、阻力、力矩以及振动特性都有重要影响，成为制约直升机旋翼气动性能提高的主要原因[1]，而旋翼翼型的动态失速是其具体体现。因此，关于翼型在动态失速情况下的气动性能的研究一直是直升机技术研究领域的一个重点和难点，具有重要的理论和实际应用价值。翼型动态失速的基本特

3、征是翼型表面发生的复杂的非定常分离和大尺度漩涡结构[2]，气动力表现出明显的非线性迟滞特性。Leishman和Beddoes[3]提出了针对NACA0012翼型动态失速计算的L-B模型，L-B模型是在大量试验数据基础上发展的基于调控参数的翼型动态失速计算模型。然而L-B模型仅对特定翼型适用，对不同翼型的模拟并不能一劳永逸的解决；并且在来流马赫数过高或是过低，如低于0.3或高于0.8时，均无法对翼型非定常气动力进行有效模拟；另外，L-B模型在迎角减小下的再附着流的计算值同试验值相比有很大偏差。因此，近年来随着计算流体力学的飞速发展，国内

4、外许多学者对翼型动态失速现象采用CFD方法展开了大量数值分析研究[4-7]。这些研究均采用变形网格方法展开研究，变形网格技术由于需要满足几何守恒定律，并且网格变形可能导致网格质量下降从而引入计算误差。基于此，本文采用运动嵌套网格方法展开翼型动态失速研究。在椭圆网格生成方法，运动嵌套网格生成方法，翼型非定常振荡过程中的网格间信息传递方法以及基于双时间方法和雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的旋翼翼型流场数值模拟方法展开了研究。然后，以NACA0012翼型为验证对象，开展了振荡翼型和翼型动态失速状态下非定常气动力计算及初步

5、参数影响分析的研究。2网格生成方法2.1翼型贴体网格生成本文采用求解椭圆方程方法生成旋翼桨叶剖面的翼型网格，以计算平面的Poisson方程为控制方程，如下式：157(1)其中，，p、q为源项，分别控制网格的正交性和网格疏密。图1给出了采用本文方法生成的翼型网格，由图可看出其正交性和翼型表面网格密度能够满足N-S方程计算需要。a翼型周围网格整体网格b前缘局部网格图1翼型网格示意2.2运动嵌套网格生成方法依据翼型网格边界大小以及翼型位置，自动生成在翼型附近加密的笛卡尔背景网格。然后，采用最小距离法生成翼型与背景网格的运动嵌套网格，并采用该

6、方法进行贡献单元搜索。最小距离法的基本思想是：找出距离背景网格上某点P间距最小的翼型网格点O，则点P的贡献单元为由O点组成的四个翼型网格单元其中之一[8]。搜索P点最近点的过程如下：选取翼型网格起始点S标号为(II,JJ)，从与S相邻的四个网格点中找出距离P点最近的网格点并标记为新的(II,JJ)，判断过的点标记为1，依次推进直到与最新的(II,JJ)网格点O的相邻的网格点的标记均为1，则O点即为距离P点最近的翼型网格点。寻点过程如图2所示。图2　最小距离法示例157最小距离法搜索点是在一条曲线上进行的，类似于进行的是一维搜索，对于本

7、文所采用的结构网格，一个网格点有4个相邻点，最小距离法搜索点的量级约为O[4*(IMAX+JMAX)]，可以有效地节省贡献单元搜索时间。本文采用HoleMap方法确定背景网格洞边界，在此基础上，采用最小距离法进行背景网格人工内边界的贡献单元的搜索。首先找出距离洞边界单元中心P最近的翼型网格点O，然后通过矢量方法从点包含O的网格单元（如图2所示）中判断P所在的网格单元。翼型网格边界单元的贡献单元可以简单地由两个一维折半法搜索得到。图3给出了贡献单元搜索结果示意图，表明本文建立的嵌套网格方法的有效性。图3嵌套网格边界单元贡献单元示意图3旋

8、翼前飞流场数值计算方法3.1流场求解控制方程基于面单元为的控制体的动网格或者变形网格，时间积分形式的Navier-Stokes方程为：(2)其中，、分别为守恒变量和粘性通量。修正无粘通量为：(3)式中，为网格控制体表面的