直升机旋翼前缘下垂控制动态失速数值模拟研究

论文摘要

直升机前飞时旋翼后行桨叶的动态失速,对直升机的飞行速度、载重性能和飞行控制有很大的不利影响。国内外研究者为此提出了多种不同的控制方案,以期减轻或消除动态失速的负面影响。前缘动态下垂控制是其中较为成功的控制概念之一,但目前仅在二维翼型的计算和实验中得到验证。鉴于直升机旋翼运动的复杂性,三维旋翼动态失速现象与二维翼型有所不同,因此前缘动态下垂对三维旋翼动态失速控制是否有效,有必要进行深入研究。本文利用三维URANS方程求解和动态重叠网格技术,对前飞条件下旋翼后行桨叶的动态失速进行了前缘动态下垂控制的数值模拟。结果表明,前缘动态下垂控制能有效抑制动态失速涡的产生和发展,降低旋翼功率,进而提高其飞行性能。论文介绍了所用到的流动控制方程组﹑数值离散格式﹑边界条件和湍流模型。考虑旋翼前飞流场的非定常性,重点介绍了所采用的重叠网格和动网格方法,由于旋翼运动的周期性,计算中采用空间换时间的办法,预先生成一个周期的全部网格和重叠关系文件,实时读取,达到减少运算时间的效果。为验证解算器的准确性,本文对无扭转旋翼的悬停运动进行了模拟。计算采用了“双时间步”的非定常计算方法和软件,与试验计算结果进行了比较,验证了重叠网格生成及信息交换技术的正确性。论文从二维翼型振荡出发,简述了翼型振荡诱导的动态失速现象以及机理,以及前缘下垂控制对动态失速的作用。进而对平直桨叶的俯仰振荡运动进行了模拟,通过分析该算例的气动力和流场图,阐述了有限展长桨叶与二维翼型之间的差别,并分析三维流动对动态失速现象的干扰作用。最后针对旋翼前飞状态下前缘下垂的控制作用进行了数值模拟。研究了两种飞行条件下,前缘下垂控制方法对旋翼动态失速的影响能力。在旋翼轻失速的算例中,增加前缘动态下垂控制成功地降低了旋翼功率,但桨盘拉力有一定程度的损失。旋翼深度失速算例中,增加前缘动态下垂控制后,在降低旋翼功率的同时提高了桨盘拉力,成功地验证了前缘下垂控制方法对旋翼动态失速的抑制作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 动态失速现象与机理研究概述
• 1.2.2 动态失速控制研究概述
• 1.2.3 动态失速数值模拟研究的进展
• 1.3 旋翼流场数值模拟的挑战
• 1.4 本文的工作
• 第二章 数值计算方法
• 2.1 控制方程
• 2.2 空间离散
• 2.3 时间离散
• 2.3.1 几何守恒律
• 2.3.2 时间推进方法
• 2.4 边界条件
• 2.5 湍流模型
• 2.5.1 k-ωSST 模型
• 2.5.2 壁面最近距离
• 2.6 多块重叠网格
• 第三章 数值方法验证
• 3.1 网格生成
• 3.2 计算结果分析
• 3.3 小结
• 第四章 桨叶俯仰振荡及动态失速控制
• 4.1 网格生成
• 4.2 运动参数选取
• 4.3 计算结果与分析
• 4.4 小结
• 第五章 旋翼前飞流场计算及动态失速控制
• 5.1 网格生成
• 5.2 计算与后处理中的说明
• 5.3 计算结果与分析
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献