旋翼VPM∕CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用

《旋翼VPM∕CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用》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、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252014VOl35No61530—1538lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn旋翼VPM／CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用肖宇，徐国华+，史勇杰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：为了提高旋翼计算流体力学(cFD)流场计算效率及克服其在尾迹捕捉上的不足，将旋翼黏性涡粒子方法(VPM)与CFD分析相结合，建立了一个新的旋翼VPM／CFD耦合气动分析模型。在该模

2、型中，采用VPM分析以实现对旋翼尾迹中黏性涡的高效捕捉而不引入数值耗散，而采用CFD分析用于精确地模拟旋翼桨叶近体区域内复杂的流动现象，同时也为VPM分析提供一个较高精度的涡源模型。至于两者信息交换，则使用集中涡源法将CFD信息传递至VPM分析，而VPM计算得到的尾迹信息则通过边界修正施加至CFD域的远场边界上，从而可以鲁棒地实现CFD域与VPM域的耦合计算。在此基础上，对“Helishape7A旋翼”小前进比前飞桨涡干扰(BVI)状态进行了较为深入的气动分析，计算结果表明：与全CFD计算比较，建立的VPM／CFD耦合分析模型可以有效地避免旋翼尾迹区桨尖涡的数值耗散，从而更加可靠

3、地捕捉桨涡干扰状态下的桨叶非定常气动载荷脉动，同时对于本文算例，计算效率可以提高30％以上。关键词：计算流体力学；VPM／CFD耦合；旋翼；桨涡干扰；集中涡源模型；边界修正中图分类号：V211．52；0355文献标识码：A文章编号：10006893(2014)06153009旋翼尾迹对直升机桨叶的气动特性具有十分重要的影响。高速旋转的桨叶在产生升力的同时，也不断逸出尾涡，这些尾涡在脱离桨叶后迅速卷起形成强度较大的桨尖涡。在某些飞行状态，如低速(小前进比)前飞状态下，该桨尖涡容易滞留在桨盘附近，甚至直接与桨叶发生碰撞，从而导致了桨叶气动载荷的脉动。因此对于旋翼气动分析来说，建立一个

4、精确可靠的尾迹计算模型是很重要的环节[1]。对于旋翼尾迹中涡结构的准确模拟，主要存在两个难点：一是涡的畸变，二是涡的扩散口]。传统直升机综合分析软件中，对尾迹的模拟主要采用基于势流的自由尾迹方法，该方法虽然效率较高，可以适用于旋翼尾迹计算与气动分析，但是其严重依赖于经验参数口]。而对于基于网格计算的旋翼计算流体力学(CFD)分析来说，则与此相反，存在数值耗散及计算量大的问题[4]。因此，急需发展新的分析方法以提高旋翼尾迹模拟效率和精度。2009年，美国学者He和Zhao首次将计入黏性的涡粒子方法(VPM)引入到旋翼尾迹分析中瞳]，通过数值计算表明，该方法可以有效地避免上述问题的产

5、生，从而能够高效且准确地对旋翼尾迹进行分析。在此基础上，魏鹏等口1将WeissingerL二阶升力线理论与黏性涡粒子模型相结合，从而可更有效地计入桨叶的三维效应。另外，谭剑锋邸1则将黏性涡粒子方法用于直升机旋翼／收稿日期：2013—07—23；退修日期：2013—11—04；录用日期：2013—11—15；网络出版时间：2013—12—0208：45网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V201312020845002html基金项目：国家自然科学基金(11302103)；航空科学基金(20135752055)*通讯作者Tel：025—84892

6、117E-mail：ghxu@nuaaeducn昏甬格式XiaoY，XuGH，ShiYJDevelopmentofacoupledVPM／CFDmodelanditsapplicationtoaerodynamicanalys／sofrotorsatlowadvanceratiosi如ActaAeronauticaetAstronaut，caS／n／ca，2014，35(6)：1530—1538强宇，绦国华，史勇杰旋翼VPM／CFD藕合模型的建立及其在小前进兜气动分析中的应竭!如航空学报，2014，35(6)：1530—1538肖宇等：旋翼VPM／CFD耦合模型的建立及其在小前进

7、比气动分析中的应用机身干扰的分析，表明了黏性涡粒子方法用于气动干扰研究的有效性。综上表明，黏性涡粒子方法逐渐成为旋翼尾迹研究中的一个热点，但是上述分析中，旋翼气动力计算依旧基于传统的升力线(面)理论，不能很好地描述桨叶近体区域内复杂的非线性流动。为此，2011年，Zhao和He进一步将黏性涡粒子方法与OVERFLOWCFD软件相结合，发展了新的耦合方法口]，从而可以较为精确地分析旋翼气动载荷。近年来，VPM／CFD耦合方法研究逐渐成为旋翼尾迹建模及气动载荷分析新的发展趋势口。9]