基于N-S方程的旋翼翼型设计方法研究

论文摘要

直升机是以旋翼为主要升力部件的垂直起落飞行器,旋翼翼型直接影响旋翼的非定常流场和气动特性,旋翼翼型设计已成为当前直升机空气动力学的热点研究方向。本文采用基于余量修正原理的反设计方法,并计入粘性影响,建立了一套基于N-S方程的直升机旋翼翼型的气动设计方法。主要研究内容如下:作为背景和前提,首先简要论述了几种主要的翼型设计方法以及国内外翼型设计方面的研究现状和发展概况。在总结了各种翼型设计方法的特点的基础上,指出采用CFD方法特别是采用N-S方程进行旋翼翼型反设计的必要性和重要意义。第二章,通过对旋翼运动特点的分析,并考虑到翼型反设计过程中对网格的要求,采用Poisson方程作为网格生成的控制方程,建立了一套适用于翼型反设计计算的旋翼结构网格生成方法。利用该方法生成围绕旋翼翼型的粘性贴体网格,并能在反设计迭代过程中围绕过渡翼型自动更新生成粘性网格。在翼型网格生成基础上,发展了旋翼网格生成方法,并给出了用于前飞流场计算的运动嵌套网格生成方法。第三章,在上一章建立的粘性结构网格生成基础上,采用Jameson有限体积方法,并结合嵌套网格方法,建立了一套基于N-S方程的旋翼前飞非定常流场求解方法。采用该方法分别对不同翼型、悬停状态以及前飞状态旋翼流场及气动特性进行了数值计算,验证了流场求解方法的有效性。第四章,以基于余量修正原理的MGM方程作为本文的反设计方程,并对其离散格式进行了推导。针对前飞状态桨叶在各个方位角的气动环境不相同的特点,建立了一个适合于前飞状态非定常流场下的旋翼翼型反设计方法,并给出详细的设计流程。第五章,应用上述建立的旋翼翼型反设计方法,分别对二维对称和非对称翼型、悬停状态以及前飞状态旋翼翼型进行了反设计计算分析,对比分析了目标翼型、反设计翼型以及初始翼型的压强系数和翼型几何外形,验证了本文所建立的旋翼翼型反设计方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 翼型设计方法的分类
• 1.3 国内外旋翼翼型研究概况
• 1.3.1 国外旋翼翼型设计的研究情况
• 1.3.2 国内旋翼翼型设计的研究进展及本文研究方法
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第二章 用于旋翼翼型反设计分析的网格生成方法
• 2.1 引言
• 2.2 二维翼型网格生成方法
• 2.2.1 网格生成控制方程
• 2.2.2 源项求解
• 2.2.3 控制方程的求解
• 2.2.4 二维翼型网格生成算例
• 2.3 三维旋翼桨叶网格生成方法
• 2.4 嵌套网格系统
• 2.4.1 悬停状态嵌套网格生成
• 2.4.2 前飞状态嵌套网格生成
• 2.4.3 洞边界和洞点的确定
• 2.4.4 贡献单元的搜寻
• 2.5 本章小结
• 第三章 用于翼型反设计的旋翼非定常流场数值模拟方法
• 3.1 引言
• 3.2 前飞状态旋翼流场求解方法
• 3.2.1 前飞旋翼流场的控制方程
• 3.2.2 空间离散格式
• 3.2.3 时间推进方法
• 3.2.4 加速收敛措施
• 3.2.4.1 隐式残值光顺方法
• 3.2.4.2 当地时间步长法
• 3.2.5 边界条件设置
• 3.2.6 旋翼坐标定义及坐标变换
• 3.2.7 旋翼前飞流场求解流程图
• 3.3 悬停状态旋翼流场的求解方法
• 3.3.1 悬停流场的控制方程
• 3.3.2 时间推进方法
• 3.3.3 边界条件设置
• 3.4 数值模拟方法的验证
• 3.4.1 翼型算例
• 3.4.2 悬停状态旋翼流场验证算例
• 3.4.3 前飞状态旋翼流场算例
• 3.5 本章小节
• 第四章 前飞状态下旋翼翼型的反设计方法
• 4.1 引言
• 4.2 翼型反设计方程
• 4.3 前飞状态旋翼翼型反设计方法
• 4.4 旋翼翼型反设计流程
• 4.5 本章小节
• 第五章 直升机旋翼翼型反设计分析
• 5.1 旋翼翼型的反设计算例分析
• 5.1.1 对称翼型反设计分析
• 5.1.2 非对称翼型反设计分析
• 5.1.3 翼型反设计方法的实用性验证
• 5.2 悬停状态下直升机旋翼翼型的反设计结果及分析
• 5.2.1 采用对称翼型分布的旋翼翼型反设计
• 5.2.2 采用非对称翼型分布的旋翼翼型反设计
• 5.3 前飞状态下直升机旋翼翼型的反设计结果及分析
• 5.4 本章小节
• 第六章 结束语
• 6.1 本文的主要工作及结论
• 6.2 进一步的研究工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文