基于的环量尾梁设计及性能研究王龙

《基于的环量尾梁设计及性能研究王龙》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于NURBS的环量尾梁设计及性能研究王龙1李家春2杨卫东2陈琨2田泽1钟易成1（1.南京航空航天大学能源与动力学院，南京，210016；2.南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016）摘要：新型环量尾梁能够将旋翼下洗流的动能转换为平衡反扭矩的侧力并自动补偿旋翼反扭矩，该技术可取消直升机尾桨。基于C++平台采用NURBS参数化方法开发全三维环量尾梁造型软件，该软件可根据设计变量输出相应模型文件。运用数值模拟手段分析了新型环量尾梁气动性能

2、及流场特性，对比分析了不同设计参数的环量尾梁在105到120Kpa进口总压下的的侧向力与扭矩变化规律。结果表明：1缝宽度增加可使尾梁在不同工作压力下提供侧向力与扭矩变化较为平缓；2高压工作环境下，导流片适当缩短，尾梁气动性能明显提高。关键词：科恩达效应;环量控制尾梁;计算流体力学;NURBS1引言1935年，亨利·科恩达发现流体在凸出的物面流动时，由来流方向改为随着凸出的物体表面流动的倾向，即此时流体会表现出附壁流动效应，该效应也被称作科恩达效应。科恩达效应在外流空气动力学发展过程中的成功应用是环量控

3、制翼型的出现。这种翼型具备低速飞行时升力大、巡航时阻力小的优点[1-7]。1976年，美国麦道公司首次把环量控制的概念引入到直升机系统中来，开始了直升机的无尾桨设计与研究[8]。无尾桨设计就是对尾梁采用环量控制的手段从而把旋翼尾流的动能转换成平衡反扭矩的侧力，可取代常规尾桨。与常规尾桨相比，采用环量控制的尾梁具备以下特点：一是噪音水平降低了25%-40%；二是消除了带尾桨直升机撞击障碍物和受外来物损坏的可能性以及对地面工作人员的威胁；三是不需要减速器，尾传动机构大大简化，维护成本降低；四是不会产生气流

4、干扰，改善了直升机的驾驶品质，机动性能提高；五是减轻了驾驶员的负担，直升机悬停时会增大旋翼下洗流速，因此增大了环量控制尾桨产生的侧向力，能够自动补偿旋翼反扭矩的变化。1995年南京航空航天大学罗晓平[9]等人首先对环量尾梁开展试验研究，研究结果表明双缝效果较好，但是由于当时条件所限，并没有研究设计参数变化对尾梁性能的影响。此外，国内全三维尾梁环量控制气动性能研究文献报道较少[10-11]。NURBS仅需较小的变量输入就可完成复杂模型的描述及生成，现已作为一种参数化曲线/曲面设计方法广泛地用于工程各领域

5、中[12]。采用NURBS方法开发环量尾梁几何造型软件的意义在于其便捷高效，即通过修改相应参数可获取所需模型，因此极大提高了人工效率节约人力资源。本文以双缝结构为基础采用参数化手段设计三维完整尾梁结构，运用CFD仿真手段研究了双缝位置角度改变、双缝喷射角度、导流片长度改变对尾梁性能的影响。2基于NURBS的参数化模型k次NURBS曲线的有理分式形式如下：537（2.1）式中为控制顶点，为权因子，k为幂次，节点矢量，为k次B样条基函数。k×l次NURBS曲面有理分式形式：（2.2）式中（i=0,1,…,

6、m;j=0,1,…,n）为控制顶点，呈拓扑矩形阵列，形成一个控制网格。是与顶点联系的权因子，四角顶点处用正权因子，其余0且顺序k×l个权因子不同时为零。和分别为u向k次和v向l次的规范B样条基。利用上述NURBS理论开发出环量尾梁造型生成软件。为叙述简明扼要，根据环量尾梁部件特点本文依次命名为直通段、节流段及尾喷段，如图1(a)所示。图2（b）为尾梁相关参数标准，缝的位置角度从y轴正方向顺时针旋转相应角度给出，缝的喷射角度是指缝的中心与该处法矢量的夹角。图1(c)为环量尾梁设计流程图，读入相应控制参数

7、(双缝角度、双缝喷射角度、双缝宽度、导流片长度、尾梁半径、远场半径、节流段参数及尾喷段参数)执行程序输出Gambit接口文件，采用Gambit商业软件读入接口文件并对模型进行网格剖分，最后采用Fluent对其进行数值模拟。(a)环量尾梁设计结构图(b)参数说明图537(c)设计流程图图1环量尾梁模型及设计流程3计算结果3.1网格及计算条件为模拟环量尾梁实际工作环境，设计了截流段与尾喷段，通过改变直通尾梁设计，来对比不同参数对环量尾梁性能的影响。尾梁直通段共设计4种三维模型，依次命名“M1-M4”。模型

8、1的两道缝位置相对于Y轴正方向分别顺时针旋转100度、150度，宽度为4mm，尾梁管内径12.2cm，长1m，其他模型相对于模型1改变的部分见表1。表1直通段模型参数模型编号参数描述M1狭缝喷射角为30°，狭缝宽度为4mmM2把导流片尾部位置逆时针旋转，缩短5°M3把狭缝宽度改为6mmM4把狭缝喷射角由30°改为50°边界条件设置如下：进口采用压力边界条件，给定总压105KPa-120KPa，计算间隔为5KPa，静压为101325Pa；远场边界条件给定下