地面效应中悬停旋翼的自由尾迹计算

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauljcaSinicaDec．252012V01．33No．122161．2170ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduCRhkxb@buaaedu．cn文章编号：1000—6893(2012)122161—10地面效应中悬停旋翼的自由尾迹计算辛冀，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摘要：发展了一种具有良好收敛性的自由尾迹模型，用于对地面效应(IGE)状态下的旋翼悬停尾迹进行数值模拟。其中使用直涡元对桨尖涡丝进行离散，使用面元法模拟地面

2、对流场的影响。针对以往类似研究中旋翼高度较低时自由尾迹迭代不易收敛的问题，引入了地下尾迹等比例修正并提出了环式地面面元分布等多项修改办法来改善计算模型的收敛性，同时这些改进也起到了削减计算量的作用。为了对新构建模型进行验证，以多个高度下的旋翼有地效状态为算例，对其尾迹几何结构进行了计算并与实验值进行了对比，结果显示二者符合得较好，证实了该模型具有较高的准确性。关键词：旋翼；自由尾迹；地面效应；面元法；迭代收敛性中图分类号：V211．52文献标识码：A在直升机近地悬停时，地面的干扰使旋翼桨毂平面内的气流轴向合速度有所减小，导致在相同的需用功率下，旋翼的拉力较远离地面时有所增加，这种现象称为地

3、面效应(InGroundEffect，IGE)。对于起重型直升机、高原直升机，利用地面效应近地悬停是提高旋翼性能的主要飞行模式。因此，IGE状态下旋翼流场的建模研究对于直升机设计具有重要意义。有关地面效应的研究一直是直升机界关注的热点。在实验方面[1‘4]，主要是通过烟流技术、宽场流动显示技术和粒子图像测速(PIV)技术对旋翼尾迹涡线的几何结构进行测量，并对实验数据进行拟合得到IGE状态下的旋翼性能计算公式。理论计算方面，早期的研究如文献E5]采用固定涡系模型求解IGE状态下的旋翼近地尾迹特性。近二十年来，随着计算机性能的提高，对IGE状态下旋翼流场的建模求解能力也有了质的飞跃，目前这方面

4、主要有计算流体力学(CFD)和自由尾迹两种计算方法。最初的CFD模型用动量源模拟旋翼的作用对流场进行求解[6]，之后使用结构或非结构嵌套网格对桨叶附近空间作细致划分后进行流场求解[7]。尽管近年来旋翼CFD方法得到了很大发展，但是受限于固有的数值耗散，这一方法对旋翼流场中涡量特别是地面附近的远场涡线捕捉不够准确，用于旋翼IGE状态求解尚不成熟。自由尾迹模型以拉格朗El法描述流场，可以追踪涡线上离散涡元的运动，避免了上述问题，且计算效率较高。IGE状态下的自由尾迹模型多采用镜像法模拟地面的作用哺。1⋯。Itoga等口嵋和Griffiths等[12。1胡则通过在地面布置涡板来模拟地面对旋翼流场

5、的影响。国内则尚未见到类似的以表面奇性方法模拟地面干扰作用的相关文献。相比于镜像法，使用奇性位势单元对地面建模具有更大的灵活性。综上所述可知，在近年来的旋翼IGE自由尾迹建模中地面面元法已被多次采用。但已有的研究反映出这种建模方法中存在小高度时尾迹涡线容易进入地面下方、尾迹形状容易出现“噪声失收稿日期：2012-01—04；退修日期：2012—03·02；录用日期：2012—04-01；网络出版时间：2012—04-2716：03网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120427．1603．004html*通讯作者．Tel．：025-848

6、9214lE—mail：crlae@nuaa．eduCR}l尾磐武tX／nJ，LiP。ChenRL．Free-wakeanalysisofhoveringrotoringroundeffect，ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，33(12)：21612170．辛冀。李攀．睬仁良，地面效应中悬停旋翼的自由尾迹计算．航空学报．2012．33(12)：21612170．航空学报Dec．252012VoI．33No，12真”，进而导致尾迹不易收敛等问题u}13]，且每步迭代中都要通过求解高维线性方程组来更新涡板环量，降低了计算效率。为此，本文根据离散

7、涡方法的特点，在尾迹模型和地面面元模型中加入了多项改进措施，并分别进行了计算分析。为考察修改后模型的通用性，本文对旋翼位置处于0．32R、0．52R、0．84R和10．OR(R为旋翼半径)4种高度的情况进行了计算，得到各种高度下旋翼尾迹的径向和轴向位移并分别与实验值进行了对比。同时讨论了IGE状态下旋翼尾迹涡线的运动方式随高度的变化情况，计算结果表明，旋翼高度较低时，近地尾迹涡线在径向上扩张很大，在轴向上则是降至一定高度