旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究

《旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究》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ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJul．252017VoI．38No．7SSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．CRhkxb@buaa．edu．CFI旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究叶舟，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，南京210016摘要：为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程，建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中，流场求解选取旋转坐标系下的Navier—Stokes方程为

2、控制方程；空间离散采用迎风Roe格式，并采用低耗散的5阶wEN()(we培htedEssentiallyNon—Osciltatory)格式进行对流通量的计算；时间推进则采用双时间法，在伪时间步上使用隐式I。U—SGS(LowerUpperSymmetricGauss—Seidel)推进格式；应用嵌套网格方法实现桨叶网格和背景网格的数据交换。应用所建立的方法对悬停状态的旋翼桨尖涡流场进行了高精度模拟，在桨叶网格上精细地捕捉到了桨尖涡的具体生成过程，在背景网格上捕捉到了更多圈数的桨尖涡尾迹，并对桨尖涡的演化机理进行了深入研究。结果表明：建立的高精度数值方法能够有效地对旋翼桨

3、尖涡的生成和演化过程进行细致模拟；悬停状态下旋翼桨尖气流在上下表面压力梯度的作用下经历了边界层增厚、逐渐卷起形成涡核以及最终脱离桨叶形成桨尖涡的过程。关键词：桨尖涡；WENO格式；嵌套网格；计算流体力学；旋翼；直升机中图分类号：V211．52文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)07—520846—11直升机以其独特的垂直起降和空中悬停等特点在军事和民用领域中发挥了重要的作用，而正是旋翼这个特殊部件赋予了直升机如此特异的性能。然而，也正是因为旋翼的存在，直升机也承受着各种气动干扰问题，进而给直升机的噪声和振动等带来很大影响。在工作状态下，旋翼的旋转会产生较

4、强的涡流场，从桨叶尖端脱落的桨尖涡会与直升机的其他部件甚至是旋翼其他桨叶发生干扰，因此，开展旋翼桨尖涡的生成机理和演化过程研究具有重要的理论和实际意义。先前，旋翼桨尖涡的研究大多是通过试验手段来开展的，而试验技术水平则随着现代测量设备的进步而提升。2000年，Heineck等[1]通过PIV(ParticleImageVelocimetry)对悬停状态下旋翼o。～270。涡龄角的桨尖涡尾迹进行了测量，观测到了旋翼桨尖涡的内部结构。同年，Martin等L21则采用PIV和LDV(LaserDopplerVeloci—metry)2种设备对旋翼桨尖涡进行了试验，并详细对比了这

5、2种方法的差异，为之后的试验测量提供了较好的依据。2001年，Wong和Komer—ath[31使用LDV对低速前飞状态下的旋翼桨尖涡进行了测量，获得了其488。涡龄角内的桨尖涡尾迹分布。在此之后还有一些研究者对旋翼桨尖涡进行了试验[4书]，虽然能够直观地显示出旋翼桨叶脱落的桨尖涡，但由于试验本身的局限性，却不能对桨尖涡的具体生成过程进行捕捉并可视化，且不能观测更大涡龄角范围的桨收稿日期：2016—10—13；退修日期：2016—12—14；录用日期：2016—12—22；网络出版时间：2017—02—1609：36网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detai

6、l／11．1929V．20170216．0936002．html基金项目：国家自然科学基金(11302103)；江苏省研究生培养创新工程(KYLXl5—0238)；中央高校基本科研业务费专项资金*通讯作者．E—mail：ghxu@nuaa．educn；

7、用格武：叶舟，徐国华．吏勇杰旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究iJj航空学报t2017．38(7)：520846．YEZ．XUGH，SHIYJ．High-resolutionnumericalresearchonformationandevolutionmechanismefrotorbladetipvortexEJ

8、JActaAeronau—ticaetAstronauticaSinica，2017，38(7)：520846520846．1航空学报尖涡尾迹。近年来，随着计算流体力学(CFD)技术的快速发展，使得采用数值模拟方法研究桨尖涡的生成及演化机理成为可能。数值方法能够弥补试验手段的不足，且成本更低，因此逐渐成为旋翼桨尖涡流场研究的热点。例如，2007年，美国马里兰大学的Duraisamy等口3采用CFD方法对具有矩形桨尖的桨叶进行了桨尖涡的数值计算，其计算结果与试验测量数据大体吻合，表明了CFD方法在桨尖涡研究中的可靠性。最近，一些