悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理

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1、航空学报AclaAerOnauticaetAstrOnaulicaSinicaFeb252016VoI．37No．2568．578ISSN1000-6893CN11．1929／Vhltp：∥hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理朱正，招启军*，李鹏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：基于运动嵌套网格方法，建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼非定常干扰流场分析的计算流体力学(CFD)方法。首先，基于高效的运动嵌套网格技术，采用积分形式的可

2、压雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程，湍流模型选用Baldwin—Lomax模型，时间推进采用双时间方法。在CFD方法的验证基础之上，对干扰过程中的桨尖涡涡核位置及强度演变规律进行了细致分析，揭示了共轴双旋翼非定常干扰流场中上、下旋翼桨尖涡与双旋翼桨叶之间的贴近干扰、碰撞现象，以及上、下旋翼桨尖涡之间的相互干扰机理。然后，进一步研究了不同总距角下的共轴旋翼系统中上、下旋翼的非定常气动特性以及影响规律。计算结果表明：上旋翼桨叶的桨尖涡会直接与下旋翼桨叶发生碰撞，导致下旋翼桨叶拉力损失；上旋翼桨

3、叶的桨尖涡和下旋翼桨叶的桨尖涡相互干扰，改变了桨尖涡的强度和轨迹；上、下旋翼桨叶相互靠近时，上、下旋翼桨叶的拉力均会上升，之后相互远离时上、下旋翼桨叶拉力均会先下降再上升。关键词：共轴刚性旋翼；非定常流场；干扰机理；桨尖涡；计算流体力学；悬停状态；运动嵌套网格中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)02一0568—11直升机具有垂直起降、空中悬停等固定翼飞机无法比拟的特点。但是，常规单旋翼带尾桨构型的直升机由于存在前行桨叶激波和后行桨叶失速等限制因素，无法实现高速飞行；并且用于平衡反扭矩的尾桨消耗了一

4、部分发动机功率。上述缺点在一定程度上限制了直升机的应用前景。而共轴式刚性双旋翼直升机通过上、下两副旋翼反向旋转，可以相互抵消反扭矩，省去了用于平衡反扭矩的尾桨，提高了功率利用效率。此外，该构型直升机通过对后行桨叶进行卸载，并充分发挥前行桨叶的升力潜能，突破了常规构型直升机大速度飞行时旋翼的气动约束，使得共轴刚性旋翼直升机具备高速飞行的能力。基于上述思想，美国西科斯基飞机公司发展了“前行桨叶概念”的共轴刚性旋翼直升机，于2008年成功试飞了共轴刚性旋翼高速攻击直升机)(2，并取得了463km／h的飞行速度，远超过常规直升机的飞行速度，标志着

5、该种构型的直升机已逐步进入实用，并已入选美国下一代高速直升机发展规划。因而，共轴刚性旋翼构型已成为当前国际高速直升机研究的最新热点。但是，共轴刚性双旋翼干扰流场比常规单旋翼流场要复杂。上、下两副旋翼旋转方向相反，导致流场中存在着严重的桨一涡干扰和涡一涡干扰现象。这使得共轴双旋翼的气动特性与单旋翼有着很大不同。与常规旋翼不同，即使是在悬停状态下，上述原因也使得流场呈现出明显的非定常特性，这给研究共轴双旋翼的涡流场干扰机理和气动特性分析提出了严峻挑战。因此，研究悬停状态共轴刚性双旋翼的非定常流动干扰机理对认识和分析新构型高速直升机的气动特性具

6、有重要学收稿日期：2015．01．04；退修日期：2015-02．21；录用日期：2015-04-15；网络出版时间：2015-04-2211：30网络出版地址：wwwcnkjnet／kcms／detail／11．1929．V．20150422．1130003htmI基金项目：国家自然科学基金(11272150)；江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者Tel：025-84893753E—mail=zhaoqijun@nuaaeducn萼l用撂武

7、朱正．招启军．李鹅悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理【J]．航空学报．2016．37

8、(2)：567·578．ZHUZ，ZHAoQJ“

9、P．unsteadyf

10、owinleractlonmechanismofcoaxialrlgldrotors．nhover[Jj．ActaAefonauticaetAstronauticas}nIca。2016．37(2)：568—578朱正．等：悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理术价值和实际意义。关于常规共轴双旋翼流场及气动特性的研究，国内外均开展了一些卓有成效的理论和试验工作。Leishman等发展了适合于共轴双旋翼的动量叶素理论‘1。4]。Andrew[5]、Bagai[6]和

11、黄水林口1等均通过尾迹方法研究了共轴旋翼的气动特性。Kim和Brown[8棚3发展了适合于共轴旋翼的涡输运模型。这些方法虽然计算速度快，但是较难精确反映双旋翼的流场干扰细节以及气动特性。童自力