基于非定常面元∕黏性涡粒子混合法的旋翼∕平尾非定常气动干扰

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMar252014VoI．35No．3643．656lSSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cndoi：10．7527／SlOOO一6893．2013．0324基于非定常面元／黏性涡粒子混合法的旋翼／平尾非定常气动干扰谭剑锋1’2，王浩文2一，吴超3，林长亮41．南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京2118162．清华大学航天航空学院，北京1000843．南京航空航天大学航空宇

2、航学院，江苏南京2100164．中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司飞机设计研究所，黑龙江哈尔滨150066摘要：旋翼／平尾非定常气动干扰是导致直升机纵向“抬头(Pitch-up)”现象的主要原因。为在直升机设计阶段准确分析旋翼／平尾非定常气动干扰以及由此引起的低速纵向操纵特性变化，通过涡量等效原则和Neumann物面边界条件建立了适用于旋翼／平尾气动干扰分析的非定常面元／黏性涡粒子混合法。该方法耦合了考虑尾迹时变效应的非定常面元法、黏性涡粒子法及涡量镜面法，以准确模拟旋翼和平尾的非定常气动载荷、旋翼尾迹的非定常特性以及旋翼尾迹对平尾

3、的气动干扰效应。首先通过计算NAsAROBIN(RotorBodyInteraction)旋翼尾迹几何和诱导速度分布，并与实验测量值、时间精确自由尾迹及cFD计算结果对比验证方法的准确性。相比于时间精确自由尾迹，本文方法计算精度更高。随后分析了旋翼／平尾非定常气动干扰对平尾向下气动载荷和气动导数的影响，并分析了平尾构型对旋翼／平尾非定常气动干扰的影响规律。分析表明：旋翼尾迹与平尾干扰导致低速状态的平尾载荷突增，气动导数反号；低平尾气动载荷突增较大，高平尾较小，但高速气动导数反号；前置平尾载荷突增量减小，但对应速度范围较宽；右旋直升机右平

4、尾载荷突增量较小，但气动导数特性基本不变。关键词：非定常面元法；黏性涡粒子法；直升机旋翼；平尾；气动干扰中图分类号：V211．52文献标识码：A文章编号：looO一6893(2014)03一0643—14直升机平尾主要用于改善直升机纵向俯仰稳定性。与固定翼平尾不同，直升机平尾不仅受机体和桨毂扰流的影响，更主要的是受旋翼尾迹的影响。低速前飞状态下，平尾浸润在旋翼尾迹中，导致平尾气动载荷迅速增加，机体俯仰力矩突变，从而影响直升机飞行动力学特性[1]，并构成纵向“抬头(Pitch—up)”现象，由此给直升机设汁带来严峻的挑战。在过去的40年间

5、，包括UH一60A[2。3]、AH64D[4]和“虎”[51等几种先进直升机均受到纵向操纵问题的影响而减缓研发进度，而这些问题均与旋翼／平尾非定常气动干扰直接相关。在直升机设计阶段，直升机气动分析中未充分预测旋翼／平尾非定常气动干扰，导致飞行测试或全尺寸研发阶段重新修改平尾设计方案，从而增加研发成本，延长开发周期，因此准确分析旋翼／平尾非定常气动干扰显得至关重要。基于原始变量形式的Navier—Stokes方程，计算流体力学(CFD)能准确模拟复杂的旋翼流场[6_8]，但基于Euler体系的cFD数值耗散较大，计算资源需求较多，捕捉的旋

6、翼尾迹耗散较快凹]。收稿日期：2013-04·27；退修日期：2013—05·28；录用日期：2013—06—27；网络出版时间：2013—07—2209：12网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201307220912．004．htmI*通讯作者．Tel．：010—62792661E-mail：bobwang@ma¨_tsinghua．edu．cn引用禧武tTanJF．WangHw．Wuc，eta1．Rotor／em∞mageunsteadyaerod”amicinleraclionwit

7、hunsfeadyoane

8、／vls∞usvortexDarti-cfehybriamet的d[J]ActaAefonaut

9、caetAstronaul{casinfca，20

10、4，35(3)：643-656谭蓟锋，王浩文．吴超，等．基f菲定常面元／黏性涡粒子混合法的旋翼／平尾非定常气动干扰￡曲i航空学报．2014．35(3)：643—656航空学报将旋翼尾迹简化成涡线，自由尾迹能快速模拟旋翼尾迹复杂的非定常特性，是一种实用有效的分析方法口””]，并广泛应用于旋翼气动弹性[13]和性能分析口“。对于耦合升力面和势流理论[14。15

11、，自

12、由尾迹能快速预测平尾气动载荷；对于耦合面元法口6”]，自由尾迹能较好地计算旋翼非定常气动载荷，然而基于不可压、无黏假设的自由尾迹需通过涡核模型考虑黏性效应。不同的涡核模型对自由尾迹的计算精度和数值稳定存在较