旋翼桨尖涡模型及其在自由尾迹分析中的影响

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1、第31卷第8期2010年8月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRoNAUTTCASINICAV01．31No．8Aug．2010文章编号：1000—6893(2010)08—1517—07旋翼桨尖涡模型及其在自由尾迹分析中的影响李攀，陈仁良(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)RotorTipVortexModelandItsEffectonFree-vortexWakeAnalysisLiPan，ChenRenliang(NationalKeyLaboratoryofRotorcraftAeromechanics

2、，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)摘要：建立了一个旋翼桨尖涡初始涡核半径计算模型，用于消除旋翼自由尾迹分析中桨尖涡涡核半径依靠经验设定的现状。该方法利用涡量和涡矩守恒关系，考虑旋转效应的影响，并修正Vatistas涡量分布函数，得到了一个关于桨尖涡初始涡核半径与桨叶附着环晕分布之间的非线性关系。将新建立的初始涡核模型同先前建立的涡核扩散与拉伸模型以微分方程初值问题的形式组成一个完整的桨尖涡模型，并将其应用于自由尾迹分析方法中，分别对两副模型旋翼的悬停尾迹进行分析。计

3、算得到的桨尖涡初始涡核半径和展向位置与实验测量值的对比表明本文模型具有较高的准确性。此外，讨论了涡核湍流动量扩散效应在自由尾迹分析中的影响，分析表明该效应对自由尾迹分析的收敛性有重要影响。关键词：直升机；旋翼；桨尖涡；涡核；涡量；自由尾迹中图分类号：V211．52文献标识码：AAbstract：Amodelisdevelopedforthecalculationoftheinitialrotortipvortexcoreradiusaimingatelimina—tingtheempiricalparametersofthetipvortexinrotorfree

4、-vortexwakeanalysis．Thismethodmakesuseoftheconservationofwakevorticity，themomentsofvorticitywiththerotationeffectandmodifiedVatistas’Svorticitydistributionfunction，andestablishesanonlinearrelationshipbetweentheinitialcoreradiusandthespanwiseboundcirculationdistribution．Thenewinitialti

5、pvortexmodelandthevortexcorediffusionandstretchingmodeltogetherformacompletetipvortexmodel．Thecompletemodelisusedinthefree-vortexwakeanalysisfortWOmodelrotorsinhover．ThecomputedinitialcoreradiusandspanstationofthetipvortexareshowntOcomparefavorablywithexperimentalmeasurements．Whatismo

6、re。theeffectofturbulentmo—mentumdiffusiononfree-vortexwakeanalysisisdiscussed，anditisfoundthatthiseffecthasimportantinflu-enceontheconvergenceofrotorfreewakeanalysis．Keywords：helicopter；rotor；tipvortex；vortexcore；vorticity；freewake旋翼尾迹是直升机空气动力学研究的基本问题之一，它主要由外部快速卷起的桨尖涡和内部涡片组成，前者强度大且涡核小

7、，在对流场的影响中起主导作用。桨尖涡的强度、几何形状和涡核尺寸决定了桨盘平面诱导人流的大小和分布，从而对旋翼的性能、载荷、振动水平以及噪声特性等产生重要的影响。因此，旋翼尾迹的研究，特别是桨尖涡强度、几何形状和涡核结构的研究对直升机的设计和分析具有重要意义[】]。过去的40年中，旋翼尾迹的研究主要采用自由尾迹分析方法[211

8、，该方法具有涡量保持的特点，非常适合于分析涡量分布较为集中的流收稿日期：2009—08—06；修订日期：2009—1l—02基金项目：航空支撑／创新基金(03A52001)通讯作者：陈仁良E—mail：crlae@nuaa．edu．cn场。相

9、比较而言，