复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

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1、http：／／hkxb。buaa。edu．cnhkxb@buaa．edu．ON复杂旋翼流场的耦合欧拉一拉格朗日数值方法魏鹏，史勇杰，徐国华*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摘要：针对影响旋翼流场求解精度的关键因素“桨叶复杂近体流动”和“尾迹涡畸变”，结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法，发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉～拉格朗日数值方法：为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征，在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解；针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点，引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型；两计算域间的信息交

2、换采用了集中涡源法和边界修正法。应用所建立的计算方法，以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna—Tung旋翼)为算例，对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟，通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布，验证了方法的有效性。此外，还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析，结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点，在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势。关键词：耦合欧拉一拉格朗日方法；黏性涡方法；旋翼尾迹；旋翼流场；直升机中图分类号：V211．52文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—1538—10直

3、升机旋翼桨叶附近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，两者相互耦合产生的非定常载荷对整个直升机的气动性能、噪声水平以及动力学特性等有着重要的影响，关于它们的研究一直是直升机技术领域的一个研究重点。准确预测旋翼气动性能，不仅要准确预测桨叶附近的非线性、跨声速和可压缩流动，还要很好地捕捉旋翼空间流场中的尾迹畸变运动，这给深入探究旋翼气动特性提出了巨大挑战。目前关于直升机旋翼气动特性方面的研究，以基于拉格朗Et描述的涡方法uo和基于欧拉描述的计算流体力学(CFD)方法瞳1为主。CFD方法作为旋翼流场模拟研究中的一种重要手段，可以捕捉到气流分离、激波等流动细

4、节特征[3。4]，因此在当前的旋翼流场计算中已得到了越来越多的应用。然而，该方法固存的数值耗散问题以及对计算资源和时间要求高的缺点制约了其在旋翼尾迹模拟中的应用。相比于CFD方法，涡方法本质上是以旋翼尾迹作为研究对象的，因此在尾迹计算方面具有独特优势。特别是近年来新兴发展的高分辨率旋翼尾迹方法[5。8]，能够很好地预测旋翼尾迹的生成、畸变等过程，体现出了良好的尾迹捕捉特性。文献[7]和文献[8]基于计人黏性的离散涡方法建立的尾迹模型不仅可以准确捕捉尾迹的畸变，更可以模拟涡的黏性扩散效应，因此在计算应用中取得了很好的效果。然而，涡方法中桨叶气动力模型多采用的是升力线模型，这会直接

5、限制方法的计算精度，且在处理复杂桨叶外形方面存在困难。收稿日期：2012—09-04；退修日期：2012-10-18；录用日期：2012—11—09；网络出版时间：2012—11—2912：00网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929，V201211291200．001html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(NS2012035)*通讯作者．Tel．：025—84892117E-mail：ghxu@nuaa．edu．cn引臻格武

6、WeiP。ShiYJ，XuGHCoupledEulerian—Lagrangianmethodforco

7、mplicatedrotorflowfieldprediction．ActaAeronauticaetAs—tronauticaSinica，2013，34(7)?1538—1547．麴鹏，史勇杰，徐目华复杂崖翼滴勿的帮舍砑拉-拉搭朗日辫茁方_洪航空学按，zo13．34(7)：1538-t547。魏鹏等：复杂旋翼流场的耦合欧拉一拉格朗日数值方法鉴于涡方法与CFD方法各自的优势，许多该领域的研究人员将两者相结合发展了混合CFD计算方法Ⅲ。早期的混合方法中都采用了线涡模型，如Berkman等[【I]结合CFD、全位势以及预定尾迹模型建立了混合方法，而Sitaraman等[1o]则采

8、用“场速度”方法，建立了基于单桨叶的CFD／自由尾迹耦合方法。这些研究在对各种旋翼进行计算和分析后指出，混合方法在保持良好尾迹预测能力的同时，也能够精确捕捉桨叶细节流场，具有很好的发展前景。然而受线涡离散方法自身缺点的限制，这些混合方法的通用性不够好。近两年Stock[】川、Zhao[121等初步将高分辨率拉格朗日涡方法与CFD方法结合，发展了具有高分辨率的耦合数值计算方法，计算结果表明，这种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