基于高阶WENO格式的旋翼非定常涡流场数值模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252016V01．37No．82552-2564ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／S10006893．2015．0281基于高阶WENO格式的旋翼非定常涡流场数值模拟印智昭，招启军*，王博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：为提高直升机旋翼黏性涡流场计算流体力学(CFD)的计

2、算精度及降低数值耗散，发展了一套基于五阶加权本质无振荡(wEN())格式的旋翼非定常涡流场数值计算方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕前飞状态旋翼的网格系统，以Navier-Stokes方程作为主控方程，湍流模型采用一方程Spalart—Allmaras模型。为了提高旋翼流场中对涡的形成、演化等发展过程的模拟精度，采用高间断分辨率的Roe—WENO格式计算对流通量。对状态变量的插值，选取适当的加权因子，通过多个重构模板的凸组合来构造五阶WEN()格式，在交界面附近获得具有五阶精度的状态变量。为了提高计算效率，采用

3、高效的隐式LUSGS(Lower-UpperSymmetricGaussSeidel)推进方法和并行计算策略。最后，运用该方法分别对悬停状态下C—T(CaradonnaTung)旋翼和UH一60A旋翼以及前飞状态下CT旋翼和SA349／2旋翼的涡流场及气动特性进行了数值模拟，并将数值结果与传统二阶精度格式的计算值进行了对比。结果表明：在计算时间增长10％～20％的前提下，五阶WENO格式能够捕捉到更精确的涡流场特性，反映了五阶WENO格式在计算旋翼非定常涡流场时具有更高的计算精度与更低的数值耗散特性。关键词：旋

4、翼；涡流；加权本质无振荡格式；Navier-Stokes方程；桨尖涡；运动嵌套网格中图分类号：V211．3；V211．52文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)08255213直升机作为20世纪航空领域极具特色的创造之一，其填补了固定翼飞机在垂直飞行领域内的空白。直升机所具有的垂直起降、空中悬停和近地飞行等特性，拓展了其在低空领域的适用范围。但直升机的飞行环境复杂，尤其是旋翼始终工作在复杂多变的自身涡流环境中，对其气动特性造成重要影响。因此为了能够准确计算出旋翼的气动性能，同时找到改进的气动设计

5、方法，关键在于是否能够提高旋翼涡流场的计算精度以及准确模拟出桨尖涡的生成与演化过程口]。因此，对上述问题的研究一直是直升机技术领域的一个重点和难点。对于旋翼流场的研究方法，一般可分为试验方法、理论方法以及旋翼计算流体力学(CFD)方法。相对于前两种方法，旋翼CFD方法不仅能够较精确地预估旋翼的气动特性，且能够降低旋翼设计的研究成本与周期，因此在过去的20年内旋翼CFD方法得到了长足的发展。20世纪90年代，Srinivasan等心1采用了Navier—Stokes方程计算了旋翼悬停流场，得到了较好的桨叶表面压强

6、分布，但是桨尖涡的模拟存在严重的数值耗散。Pomin和Wagner[33采用了运动嵌套网格方法对收稿5t期：2015—08—18；退修日期：2015—09—28；录用日期：2015—10—16：网络出版时间：2015—11—3009：22网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V．201511300922．002html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基金*通讯作者Tel．：025—84893753E-mail：zhaoqijun@nua

7、a．edu．cr}}

8、用格武：印智昭．拓启军，王博．基于高瞬WENO格武的旋翼菲定常涡流场数值模数!J]，航空学报．2016．37(8)：2552-2564YINZZ，ZHA0QJ，WANG日．Numericalsimulationsforunsteadyvortexflowfieldofrotorsbasedonhigh-orderWENOscheme(JJAc—taAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(8)：2552-2564印智昭，等：基于高阶WEN()格式的旋翼

9、非定常涡流场数值模拟7A模型旋翼悬停流场和C—T(Caradonna—Tung)模型旋翼前飞流场进行了数值模拟，取得了较好的气动特性模拟结果。杨爱明和乔志德[4j采用了运动嵌套网格技术数值模拟了前飞非定常黏性流动，前飞数值结果与其他文献计算结果吻合较好。Zhao等[51使用混合方法计算了多种旋翼悬停与前飞状态下的流场，获得了较好的气动特性与载荷分布，但并未对旋翼流场中涡的输运特性进一步