12高精度旋翼非定常涡流场数值模拟方法-史勇杰8

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1、-第二十八届（2012）全国直升机年会论文高精度旋翼非定常涡流场数值模拟方法史勇杰魏鹏徐国华招启军（南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016）摘要：基于粘性涡方法和CFD方法，发展了一套适合于复杂旋翼涡流场的耦合拉格朗日-欧拉计算方法。方法中针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点，引入粘性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型，以此模拟尾迹的畸变运动及其影响；为捕捉激波等细节流场特征，在需要考虑细节流场的桨叶近体区域采用了CFD方程对其进行求解；而两者之间的信息交换分别采用集中涡源法和边界修正法完成。应用所建立的计算方法，对Carad

2、onna-Tung模型旋翼悬停状态下的旋翼流场进行了模拟，通过分析旋翼尾迹特征及耦合边界处流场特征，表明所建方法充分发挥了CFD方法和粘性涡方法各自的优势，在旋翼流场计算方面的具有独特的优势。最后通过对比桨叶表面压强系数分布，进一步验证了该方法在旋翼流场分析中的有效性。关键词：旋翼流场；旋翼尾迹；Euler方程；离散涡方法；混合方法；直升机.---0引言桨叶近体的复杂非线性流动和桨叶产生的强烈桨尖涡是旋翼非定常流场的重要特征，两者相互耦合、相互影响，对直升机的气动载荷、气动噪声以及动力学特性等有重要影响，关于它们的研究一直是直升机技术研究领域的一个重点。然

3、而，同时准确预测桨叶附近的非线性、跨音速、可压缩流动和旋翼尾迹的畸变运动具有很大难度，这给旋翼气动特性的深入研究提出了巨大挑战。迄今为止，对于旋翼非定常涡流场的研究，主要采用两类数值计算方法，即基于拉格朗日法的涡动力学方法[1]和基于欧拉法的计算流体力学（CFD）方法[2]。其中涡动力学方法开展较早，传统尾迹线涡法在经历了固定尾迹、预定尾迹以及自由尾迹的发展历程之后日臻成熟，目前基于桨尖涡卷起模型的自由尾迹方法已被广泛应用于各种理论分析及工程计算中。而近几年出现的高分辨率粘性涡方法成为继自由尾迹方法后的又一个重要发展趋势，Opoku，Anusonti，Zh

4、ao[3]等人先后开展了基于拉格朗日描述的旋翼粘性离散涡方法方面的研究，通过对不同旋翼流场的计算表明，所发展的方法可以更准确的预测尾迹涡的畸变运动及扩散效应。然而，这些方法中均采用了线性气动力模型及不可压假设，因此对于桨叶近体非定常流动的模拟存在困难，无法满足现代复杂外形桨叶分析需求。上世纪80年代以来，CFD方法开始应用于旋翼气动问题的研究中，该方法在欧拉描述下通过数值方法求解Navier-Stokes方程，可以精确地捕捉桨叶表面气动力的细致变化，以及前行侧桨叶的强压缩和后行侧的反流、动态失速等复杂旋翼扰流特性。然而该方法在采用有限体积或有限差分法进行控

5、制方程求解时，离散格式中固存的数值耗散会使得空间流场的涡出现非物理耗散，从而导致方法在无法准确捕捉旋翼尾迹。尽管很多学者已尝试采用高阶格式[4]、自适应网格[5]等技术消除这一缺陷并取得了较好的计算结果，但在现有计算资源条件下，尾迹的捕捉能力仍显不足。考虑到动力学方法与CFD方法各自的优势，许多学者将两者相结合发展了混合计算方法[1]。早期的混合方法多基于线涡法和CFD方法，Berezin和Sankar等[7]基于CFD/全位势/自由尾迹建立了一套混合方法，而Bader等采用场速度方法直接将CFD.---与自由尾迹耦合在了一起，计算结果表明，这些方法均可有

6、效的增加尾迹捕捉能力，从而提高计算精度，然而受自由尾迹方法本身缺陷限制，它们的通用性并不好。近两年Stock[6]，Zhao[7]等初步将高分辨率涡方法与CFD方法结合，发展了具有高精度的耦合方法，从已发表的文献看，耦合方法在尾迹捕捉和旋翼气动性能预测等方面都要好于传统的CFD方法，而且计算量也有显著降低。目前国内尽管已有不少学者开展了自由尾迹/CFD混合方法研究[8,9]，但在粘性涡/CFD耦合方法方面尚未有相关研究。为此，本文在先前研究工作的基础上，进一步将粘性涡方法与CFD方法相结合，建立了适合于复杂旋翼涡流场计算的耦合拉格朗日-欧拉计算方法。然后，

7、采用Caradonna-Tung试验旋翼为算例对所建方法的有效性进行了分析及验证，结果表明该方法充分结合了两种方法各自的优势，无论是在旋翼尾迹捕捉方面还是在桨叶近体流场细节模拟方面都是非常有效的。1计算方法图1给出了本文耦合拉格朗日-欧拉法的示意图，该机算方法将旋翼气动问题分为尾迹预测和桨叶近体流场捕捉两部分：在离桨叶较远区域，尾迹的影响占据着主导地位，故采用基于拉格朗日描述的粘性涡方法进行尾迹预测；而围绕桨叶的旋翼近体流场则应用基于欧拉描述的CFD方法进行求解，以捕捉该流场区域的各种非线性特征以及近尾迹影响。图1耦合拉格朗日-欧拉法示意图1.1旋翼尾迹求

8、解模型直升机飞行时，旋翼桨叶拖出的尾涡发生卷起现象并形成桨尖涡，这