基于CFD和混合配平算法的直升机旋翼地面效应模拟.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252016Vol37No82539-2551ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cahkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／S1000—6893．2015．0335基于CFD和混合配平算法的直升机旋翼地面效应模拟朱明勇，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：建立了一套基于非结构网格技术和动量源模型的直升机旋翼计算

2、流体力学(CFD)方法，用来模拟贴地飞行时直升机旋翼非定常气动特性。其中，控制方程采用三维Navier—Stokes方程，空间方向上采用Jameson格式，时间方向上采用五步Runge-Kutta迭代法，选用Spalart—Allmaras湍流模型。旋翼对流场的作用采用动量源项模拟，为更真实地模拟地面效应(IGE)的作用，采用了“移动地面”的物面边界来代替常规的“固定地面”边界，并对旋翼附近及旋翼与地面之间的网格进行加密处理，以提高地面涡的捕捉精度。考虑实际飞行环境下旋翼的运动和操纵，在流场计算时考虑旋翼配平特

3、性。其中，配平方程的旋翼气动力通过CFD方法和动量一叶素组合理论模型的耦合计算给出，为了提高配平方法的鲁棒性和效率，提出并建立了基于遗传算法／拟牛顿法的高效混合迭代算法。运用所建立的方法，首先，选用有试验结果可供对比的算例计算了地面效应作用下的旋翼拉力增益、功率变化，验证了计算方法的有效性，解决了涡流理论方法较难模拟的“小速度前飞旋翼需用功率突增”问题。然后，着重研究了UH一60A直升机旋翼在不同离地高度、不同前进比状态，旋翼需用功率、诱导速度、地面涡及旋翼操纵的变化规律。计算结果表明：地面涡出现在较小的前进比

4、范围内，随前进比的增大，地面涡在纵向平面将顺来流方向移动，在轴向方位靠近地面方向移动，直至最后不断减弱消失。关键词：旋翼；地面效应；非定常气动特性；地面涡；配平分析；Navier-Stokes方程中图分类号：V211．52文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)08—2539—13近年来，无论在军用还是在民用上，都要求直升机作持续的贴地飞行。由于直升机小速度贴地飞行时，旋翼尾流由于地面的阻塞效应向上卷起与地面相互干扰，直升机处于特殊的气动环境中，其流场环境与无地面效应(OGE)状态相比复杂很多，旋

5、翼需用功率、平衡以及操纵特性、飞行品质等方面都出现较大的变化。因此，贴地飞行状态下的直升机非定常干扰流场及旋翼气动性能研究一直是直升机技术的研究重点和难点之一。针对直升机贴地飞行问题已经开展了大量的研究方法，主要包括试验方法、理论方法和数值模拟3种手段。在试验方面，早期的试验研究主要包括旋翼拉力和旋翼需用功率等的测量u。31。Curtiss[2j、Light[33和GaneshEvS]等通过试验测定了地面效应(IGE)状态下地面涡的定性形成过程，初步分析了旋翼流场特征。Nathan和Green[63使用传送带模

6、拟移动地面，得出了移动地面能更真实地反映地面效应现象的影响。试验方法比较准确可靠，但试验时间长且成本较高，并受试验状态的限制。在理论研究方面，地面效应研究也有很大的发展。Cheeseman和Bennett口。较早提出了存在地面效应时旋翼拉力的经验公收稿日期：2015—09—03；退修日期：2015—11．24；录用日期：2015—12—04；网络出版时间：2015—12—2513：23网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929V20151225．1323．002html基金项目

7、：国家自然科学基金(11272150)*通讯作者．Tel．：025—84893753E—mail：zhaoqijun@nuaa．edu．crl戮用格武；表明勇。招启军．I博基fCFD和混合配平算法的直升机旋翼地面效应模拟￡Jj．航空学报，2016，37(8)：2539-2551．ZHUMY，ZHAOQJ，WANGBSimulationofhelicopterrotoringroundeffectbasedonOFDmethodandhybridtrimalgorithm!JIActaAeronauticaetA

8、stronauticaSinica。2016．37(8)：2539-2551．航空学报Aug．252016V01．37No．8式，并与试验结果进行了对比，获得了一些初步结果。张西[81提出了一种基于飞行试验的直升机悬停状态地面效应研究方法，可以方便地进行直升机有无地面效应时的悬停性能计算，但未进行前飞贴地飞行时直升机旋翼的性能计算。尽管理论研究方法计算简单易实现，但大多依赖试验数据，因