倾转旋翼机过渡模式下非定常气动力数值模拟

发布时间：2020-05-17 08:45

【摘要】：倾转旋翼机是一种新构型原理飞行器,它结合了直升机垂直起降和螺旋桨飞机高速巡航的优点。过渡模式是其独有而关键的飞行模式,虽然转换时间短,但却是一个极其复杂的非定常过程。深入开展过渡状态下非定常气动特性数值分析有着重要的学术和工程应用价值。本文基于非定常N-S方程,开展过渡模式下气动力数值模拟研究,主要内容包括动网格技术、倾转旋翼机流场数值模拟方法、直升机模式和固定翼飞机模式下气动特性、过渡模式下非定常气动力以及拉力矢量和空气舵组合运动下非定常气动特性等方面。针对复杂多块结构网格,结合反距离插值法(IDW)和无限插值法(TFI)的优点,发展了一种高效的混合动网格技术。首先,选取变形量已知的网格面顶点作为控制点,通过IDW计算得到网格块棱边的变形量;然后采用TFI快速插值出网格面和网格块内部网格点的变形量。针对特大变形问题,提出了一种预估-校正动网格技术。利用多套拓扑结构相同的静态网格插值出随时间变化的全流场计算网格,为动网格生成提供了一种新途径。有限体积法、双时间推进法求解非定常N-S方程。基于雷诺平均N-S方程模拟紊流,选用了SA一方程模型。基于等效桨盘理论模拟旋翼。采用分区网格基本块的并行算法提高计算效率。基于固定网格系统,发展了网格速度法来准确模拟飞行器宏观的加速运动。建立起了同时适用于直升机模式、飞机模式和过渡模式的数值模拟方法和软件平台,通过大量的算例验证了计算精度能满足工程实际应用的要求。揭示了悬停状态下的流动机理,系统地研究了后缘襟翼、克鲁格襟翼、前缘下垂以及扰流板四种被动控制技术在机翼向下载荷减缓中的应用,并详细分析了各参数的影响。计算得到的最优组合构型为:后缘襟翼偏角60°,克鲁格襟翼偏角85°。针对高速巡航的固定翼飞机模式,研究了旋翼动力滑流对全机气动力系数的定量影响,比较了有、无滑流作用下平尾和垂尾的压力分布。数值结果表明:在不同迎角下,滑流都使得全机升力系数增大,且最大升力系数的增量为4.6%。根据低速段机翼失速限制和高速时旋翼可用功率限制确定了倾转走廊,实现了过渡飞行阶段旋翼倾转、飞行器加速、姿态变化和空气舵面偏转并存的复杂非定常运动数值模拟,并与相应的准定常结果进行了定量分析。对过渡模式下相关流动机理进行了研究,总体思路为从二维翼梢剖面到三维组合体构型,从固定倾转角到考虑旋翼倾转运动,从定速平飞倾转到加速运动下倾转,并详细探讨了旋翼倾转模式和倾转时间对气动特性影响,对比分析了直升机模式-飞机模式与飞机模式-直升机模式转换间气动性能的差异。发展了倾转旋翼机气动/控制一体化数值模拟技术,基于CFD开展了过渡飞行阶段拉力矢量和后缘襟翼组合运动下的气动力计算。首先研究了单独后缘襟翼的静、动态气动特性,分析了襟翼偏转角频率和偏转规律对气动性能的影响。然后采用开环控制方法,研究了后缘襟翼在阶跃型、谐波型和线性函数型等不同操纵规律下倾转旋翼机的时域响应品质。本文研究成果能为过渡模式下非定常气动特性和拉力矢量/空气舵组合操纵规律设计等关键问题研究提供先进的数值方法和科学的技术支撑。
【图文】：

南京航空航天大学博士学位论文第一章 绪论1.1 研究背景与意义直升机由于具有垂直起降、悬停等优良飞行品质，在军事和民用领域发挥着不可替代的作用。然而，，受旋翼前行桨叶激波失速和后行桨叶气流分离的限制，其飞行速度很难超过360km/h[1]。从 20 世纪 40 年代起，人们就在探索一种既有直升机垂直起降能力，又有固定翼飞机航程远、速度快的飞行器。研究学者曾研究过复合式直升机、前行桨叶概念、旋翼折叠等多种新原理构型的旋翼机，但目前成功投入实际使用的只有倾转旋翼机方案[2]。几十年来，美国率先开展了 XV-15 倾转旋翼机方案和技术验证。在此基础上，波音和贝尔直升机公司联合提出了更为成熟的 V-22 倾转旋翼机方案。典型的倾转旋翼机气动构型如图 1.1 所示。

图 1.2 V-22 倾转旋翼机飞行包线图 1.3 给出了 V-22 倾转旋翼机的三种基本飞行模式：（a）低速飞行的直升机模式飞行的固定翼飞机模式；（c）过渡飞行转换模式，即通过短舱的倾转运动来实现直与飞机模式间的动态转换过程。直升机模式下旋翼提供全部的升力。以直升机模式入前飞，当达到一定飞行速度后，发动机短舱逐渐向水平位置旋转，进入倾转过渡要的升力由旋翼提供逐渐过渡到由机翼提供。由于这阶段飞行器的气动构型、飞行前飞速度都在不断的变化，因而过渡模式是一个典型的非定常运动过程。当发动机到水平位置时，则完成了整个转换过程。此时倾转旋翼机相当于普通螺旋桨飞机，生升力来平衡自重，旋翼成为螺旋桨提供前飞推力，可高速远航程飞行。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.52

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘伏虎;马晓平;张子健;;飞翼布局无人机阵风减缓主动控制研究[J];机械科学与技术;2015年10期

2 张来平;马戎;常兴华;赵钟;赫新;;虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术[J];力学进展;2014年00期

3 蔡婧;蔡汝鸿;;V-22“鱼鹰”倾转旋翼机研制历程与关键技术[J];航空科学技术;2013年03期

4 李鹏;招启军;;悬停状态倾转旋翼/机翼干扰流场及气动力的CFD计算[J];航空学报;2014年02期

5 马玉清;曹义华;崔峥;;倾转旋翼机机翼前掠角对副翼操纵性能的影响[J];航空科学技术;2013年01期

6 陈坚强;陈琦;袁先旭;谢昱飞;;舵面操纵动态响应的数值模拟[J];力学学报;2013年02期

7 吴希明;仲唯贵;陈平剑;;倾转旋翼机气动设计技术[J];航空科学技术;2012年04期

8 黄礼铿;高正红;左英桃;;一种快速稳健的并行多块结构动网格方法[J];计算力学学报;2012年03期

9 顾宁;陆志良;郭同庆;丁力;;阵风响应及减缓的非定常数值模拟[J];航空计算技术;2012年03期

10 李尚斌;焦予秦;;螺旋桨滑流影响的研究进展[J];科学技术与工程;2012年08期

相关博士学位论文 前6条

1 陈琦;飞行器气动/控制一体化机动飞行的数值模拟研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2016年

2 郑建靖;面向并行计算流体动力学模拟的非结构动网格生成的若干问题研究[D];浙江大学;2016年

3 顾宁;基于CFD的机翼阵风响应及减缓计算[D];南京航空航天大学;2013年

4 曹芸芸;倾转旋翼飞行器飞行动力学数学建模方法研究[D];南京航空航天大学;2012年

5 陈龙;基于CFD/CSD耦合的旋翼气动弹性数值模拟[D];南京航空航天大学;2011年

6 董凌华;倾转旋翼/机翼气弹耦合动力学研究[D];南京航空航天大学;2011年

相关硕士学位论文 前9条

1 何杰;倾转旋翼机动态干扰流场模拟方法研究[D];南京航空航天大学;2016年

2 朱秋娴;基于非定常动量源方法的倾转旋翼机气动分析及性能优化[D];南京航空航天大学;2016年

3 李亚波;基于自适应网格方法的倾转旋翼流场数值模拟[D];南京航空航天大学;2013年

4 蒯乐;后缘无缝襟翼与前缘缝翼的一体化优化设计[D];上海交通大学;2011年

5 万华芳;倾转旋翼飞行器过渡段仿真研究[D];南京航空航天大学;2011年

6 成宝峰;倾转旋翼机旋翼/机翼/机身干扰流场的数值分析[D];南京航空航天大学;2010年

7 王博;基于CFD方法的直升机旋翼/机身流场模拟及分析[D];南京航空航天大学;2007年

8 褚江;非结构动网格生成方法研究[D];南京理工大学;2006年

9 周加松;倾转旋翼飞行器悬停状态下旋翼/机翼干扰研究[D];南京航空航天大学;2004年

本文编号：2668246