直升机旋翼非定常动态失速的CFD模拟及其主动流动控制研究

发布时间：2017-08-30 07:14

  本文关键词：直升机旋翼非定常动态失速的CFD模拟及其主动流动控制研究

  更多相关文章： 旋翼 翼型 非定常动态失速 主动流动控制 合成射流 动态前缘 组合控制策略 运动嵌套网格 Navier-Stokes方程

【摘要】：直升机旋翼动态失速现象对旋翼气动特性及振动特性等有重要影响,从而限制着直升机的飞行包线、机动飞行性能和振动水平。揭示动态失速对旋翼非定常流场及气动特性的影响机理,抑制旋翼动态失速的不利影响,进而提高旋翼气动性能的研究一直是直升机空气动力学领域的研究重点和难点问题。本文基于新型旋翼运动嵌套网格生成方法,开展了旋翼非定常流场求解的高效、高精度CFD方法研究,并着重对旋翼非定常动态失速现象展开数值模拟与机理分析;在此基础上,开展了合成射流方法、动态下垂前缘方法以及二者结合的新型组合控制策略对旋翼及翼型动态失速特性影响规律的数值分析,并进行合成射流控制翼型失速特性的试验研究。主要研究工作包括以下几个方面:作为前提和背景,本文首先阐述了旋翼CFD方法、动态失速分析以及旋翼主动流动控制方法研究的国内外现状,指出了开展旋翼动态失速特性数值研究及其主动流动控制机理分析的重要性,提出了目前研究中仍存在的问题及本文相应的研究方法。考虑到旋翼桨叶气动外形组成的复杂特点,基于Poisson方程求解方法,在论文第二章建立了一套高效、通用的旋翼网格参数化生成方法,并结合笛卡尔背景网格组成旋翼运动嵌套网格系统;针对嵌套网格方法中关键的洞单元识别及贡献单元搜索问题,分别建立了通用性好的“扰动衍射法”(DDM)和高效的“最小距离法”(MDSDE)。在第三章,基于可压N-S方程,建立旋翼非定常流场数值分析的高效、高精度CFD方法。为降低非物理数值耗散,分别采用Roe格式和AUSM类格式对无粘通量进行离散;为模拟非定常特性,采用了双时间方法,其中伪时间迭代采用隐式无矩阵存储的LU-SGS方法;针对旋翼流场中可压流动与不可压流动并存的特点,发展了相应的低速预处理方法;为进一步提高计算效率,发展基于Open-MP技术的并行算法和聚合式多重网格方法。分别采用一方程S-A模型及两方程k-ωSST模型以有效模拟旋翼后行桨叶的大范围气流分离现象。通过系统的算例验证,表明建立的CFD方法在捕捉旋翼涡流动和气动特性等方面具有高效、高精度的特点,为下一步开展旋翼动态失速及其主动流动控制分析奠定了基础。运用建立的CFD方法,第四章分析了旋翼翼型动态失速过程中动态失速涡的形成和对流过程,并开展脱体涡对翼型气动特性影响的数值分析;开展了旋翼翼型动态失速特性的参数(减缩频率、基准迎角和迎角变化幅值)影响规律研究;然后,着重分析了前飞状态三维效应影响下旋翼动态失速中的气流分离、动态失速涡运动特点及旋翼气动特性,并与对应二维翼型情况进行对比,分析了旋翼桨叶上轴向诱导速度以及桨叶展向流动特性对旋翼气动特性的影响,并进一步获得了前飞速度对旋翼非定常气动特性的影响特性。在第五章,基于合成射流激励器出口的非定常吹/吸气速度假定,结合旋翼及翼型的来流条件及运动特性,建立适合于旋翼及翼型主动流动控制分析的射流控制方程。首先,针对单纯合成射流及射流/主流干扰的流场特性进行分析,同时以TAU0015翼型及VR-7B翼型为数值算例,验证了分析方法的有效性。然后,分析了合成射流动量系数、偏角、位置及激励频率对翼型静态、动态失速特性控制效果的影响,揭示了射流在抑制翼型气流分离、改善翼型动态失速特性方面的作用机理,并解释了目前在射流参数分析中存在分歧的原因。进一步地,开展了合成射流对旋翼非定常气动特性控制效果的数值分析,并获得了有价值的新结论,为合成射流在旋翼动态失速控制中的应用奠定理论基础。在第六章,开展了动态下垂前缘方法对旋翼翼型动态失速特性控制效果的分析,获得了下垂参数对控制效果的影响规律;通过翼型动态失速动态下垂前缘控制的多目标综合参数优化分析,发现阶段性的前缘上翘更有利于旋翼翼型非定常气动特性的改善。开展了旋翼动态失速的动态下垂前缘控制分析,获得了动态下垂前缘改善旋翼气动特性的参数影响规律。随后,提出将合成射流技术与动态下垂前缘相结合的控制方法,并应用于旋翼(翼型)非定常动态失速的主动流动控制,发现了该组合控制方法相对于单一流动控制方法的优势。最后,设计了旋翼翼型气流分离合成射流控制的风洞试验。基于翼型表面流动的PIV测速、模型的气动力测量和边界层内速度型的测定试验,系统性地研究了合成射流不同控制参数对翼型最大升力系数和失速迎角改善效果的影响,获得了与数值模拟相同的结论。在此基础上,创造性地提出了合成射流对旋翼翼型失速特性控制规律的定量函数式。此外,开展了双射流阵列在进一步改善翼型失速特性方面作用的研究,并在阵列间相位差和偏角组合对翼型失速控制效果影响方面发现了新结论。
【关键词】：旋翼 翼型 非定常动态失速 主动流动控制 合成射流 动态前缘 组合控制策略 运动嵌套网格 Navier-Stokes方程
【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】：2015
【分类号】：V275.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-20
• 第一章 绪论20-34
• 1.1 研究背景20-21
• 1.2 国内外研究概况21-30
• 1.2.1 旋翼计算流体力学方法的研究进展21-24
• 1.2.2 旋翼动态失速的研究进展24-26
• 1.2.3 旋翼主动流动控制方法的研究进展26-30
• 1.3 本文的解决方案30-31
• 1.4 本文的主要研究工作31-34
• 第二章 适用于旋翼动态失速控制分析的网格生成方法34-50
• 2.1 引言34-35
• 2.2 旋翼翼型网格生成方法35-37
• 2.2.1 翼型网格生成控制方程35-36
• 2.2.2 网格质量控制的源项修正方法36-37
• 2.2.3 适用于主动流动控制的网格生成策略37
• 2.3 旋翼桨叶网格参数化生成方法37-39
• 2.4 旋翼运动嵌套网格的洞单元识别方法39-44
• 2.4.1 “透视图”方法40-42
• 2.4.2 新型“扰动衍射”方法42-44
• 2.5 贡献单元搜索方法44-49
• 2.5.1 改进型Inverse-Map方法44-46
• 2.5.2 新型最小距离方法46-49
• 2.6 小结49-50
• 第三章 高精度的旋翼非定常流场数值计算方法50-77
• 3.1 引言50-51
• 3.2 旋翼非定常流场控制方程51-52
• 3.3 高精度空间离散格式52-55
• 3.3.1 空间离散的通量差分分裂格式52-53
• 3.3.2 适用于低速预处理的新型AUSM类格式53-55
• 3.3.3 高阶流场变量重构格式55
• 3.4 高效隐式时间推进格式55-58
• 3.5 适用于旋翼流动控制分析的湍流模型58-60
• 3.6 边界条件60-61
• 3.6.1 壁面条件60
• 3.6.2 远场条件60-61
• 3.7 新型高效数值计算方法61-64
• 3.7.1 低速预处理方法61-63
• 3.7.2 多重网格方法63-64
• 3.8 旋翼操纵量配平方法64-65
• 3.9 算例验证65-76
• 3.9.1 定常状态翼型气动特性计算65-66
• 3.9.2 旋翼翼型动态失速特性分析66-67
• 3.9.3 悬停状态旋翼气动特性分析67-71
• 3.9.4 前飞状态旋翼气动特性分析71-76
• 3.10 小结76-77
• 第四章 旋翼非定常动态失速特性分析77-101
• 4.1 引言77-78
• 4.2 旋翼翼型非定常动态失速特性分析方法验证78-80
• 4.2.1 旋翼SC-1095翼型动态失速特性算例验证78
• 4.2.2 NACA0012翼型动态失速特性算例验证78-80
• 4.3 旋翼翼型动态失速特性的参数影响规律分析80-83
• 4.3.1 翼型迎角振幅的影响81
• 4.3.2 翼型减缩频率的影响81-82
• 4.3.3 翼型平均迎角的影响82-83
• 4.4 Helishape 7AD旋翼动态失速特性的数值模拟83-89
• 4.4.1 7AD旋翼非定常气动载荷模拟83-86
• 4.4.2 7AD旋翼动态失速特性分析86-89
• 4.5 旋翼非定常动态失速特性的机理分析89-99
• 4.5.1 三维效应对旋翼动态失速特性的影响分析89-96
• 4.5.2 前飞速度对旋翼动态失速特性的影响分析96-99
• 4.6 小结99-101
• 第五章 旋翼动态失速合成射流控制的数值分析101-159
• 5.1 引言101-102
• 5.2 合成射流边界条件的建立102-104
• 5.2.1 翼型射流边界条件的设置102-103
• 5.2.2 振荡翼型射流边界条件的设置103-104
• 5.2.3 旋翼射流边界条件的设置104
• 5.3 合成射流流场特性的数值模拟104-109
• 5.4 合成射流对翼型失速特性的控制研究109-116
• 5.4.1 TAU0015翼型静态失速射流控制的验证109-110
• 5.4.2 翼型失速射流控制的机理110-113
• 5.4.3 翼型合成射流控制的涡流动特性113-114
• 5.4.4 翼型反设计分析114-116
• 5.5 翼型静态失速射流控制的参数分析116-123
• 5.5.1 射流激励频率的影响117-118
• 5.5.2 射流位置的影响118-119
• 5.5.3 射流动量系数的影响119-120
• 5.5.4 射流偏角的影响120-122
• 5.5.5 射流阵列控制的影响122-123
• 5.6 合成射流对翼型动态失速特性控制效果的验证123-126
• 5.7 翼型动态失速射流控制的参数分析126-136
• 5.7.1 射流位置的影响分析126-128
• 5.7.2 射流激励频率的影响分析128-129
• 5.7.3 射流动量系数的影响分析129-131
• 5.7.4 射流偏角的影响分析131-133
• 5.7.5 射流形式的影响分析133-134
• 5.7.6 射流阵列控制的影响分析134-136
• 5.8 旋翼非定常气动特性的合成射流控制分析136-156
• 5.8.1 射流位置的影响分析137-143
• 5.8.2 射流动量系数的影响分析143-148
• 5.8.3 射流偏角的影响分析148-152
• 5.8.4 射流阵列控制的影响分析152-156
• 5.9 小结156-159
• 第六章 旋翼动态失速的综合控制策略分析159-181
• 6.1 引言159-160
• 6.2 基于动态前缘的旋翼翼型动态失速控制分析160-170
• 6.2.1 VR-12翼型的动态下垂前缘控制分析161-162
• 6.2.2 动态前缘控制旋翼翼型动态失速特性的参数分析162-165
• 6.2.3 动态前缘控制的参数优化165-170
• 6.3 基于动态前缘的旋翼动态失速控制分析170-174
• 6.3.1 动态前缘偏转幅值的影响分析170-172
• 6.3.2 动态前缘偏转频率的影响分析172-174
• 6.4 旋翼动态失速的组合控制分析174-179
• 6.4.1 旋翼翼型动态失速的组合策略控制分析175-176
• 6.4.2 旋翼非定常气动特性的组合策略控制分析176-179
• 6.5 小结179-181
• 第七章 旋翼翼型失速特性的合成射流控制试验研究181-204
• 7.1 引言181-182
• 7.2 试验方案182-184
• 7.2.1 试验模型182
• 7.2.2 试验设备182-183
• 7.2.3 试验内容及方法183-184
• 7.3 基于合成射流的翼型失速特性控制试验184-190
• 7.3.1 合成射流激励器特性测量184-185
• 7.3.2 翼型失速特性的测量185
• 7.3.3 合成射流对旋翼翼型失速特性控制效果的测量185-190
• 7.4 翼型失速控制的参数分析190-198
• 7.4.1 射流速度的影响191-192
• 7.4.2 射流偏角的影响192-194
• 7.4.3 射流位置的影响194-195
• 7.4.4 来流速度的影响195-196
• 7.4.5 合成射流参数影响的定性分析196-198
• 7.5 双射流阵列间相关参数的影响分析198-203
• 7.5.1 射流阵列相位差的影响分析198-201
• 7.5.2 射流阵列偏角组合的影响分析201-203
• 7.6 小结203-204
• 第八章 研究工作总结及展望204-211
• 8.1 本文研究工作总结204-209
• 8.2 本文的创新工作209-210
• 8.3 进一步的研究工作及展望210-211
• 参考文献211-225
• 致谢225-226
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文226-228

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文编号：757926