高速直升机刚性旋翼大前进比气动特性研究

摘要

高速直升机旋翼流场的复杂特征给旋翼流动机理研究及旋翼气动特性分析带来了很大的挑战，在旋翼流场中可同时出现前行桨叶尖部跨音速可压缩流动、后行桨叶低速不可压流动，并伴随着反流、径向流、激波、桨-涡干扰等特殊流动现象。本文采用非定常RANS方法和DES方法，分别对不同状态下直升机旋翼桨叶的气动特性进行了数值模拟研究，并对旋翼的特殊流动现象进行了分析。论文的主要研究工作为以下几个方面： 首先，分别对k-ε和SST k-ω湍流模型进行探讨，选择适合二维翼型的湍流模型，对计算模型叶片截面的二维翼型进行数值模拟，获得并分析叶片截面二维翼型的气动特性。 其次，为了对直升机旋翼计算方法的可靠性进行验证，利用建立的RANS方法，对Caradonna-Tung(C-T)直升机旋翼模型开展了算例测试，分别对不同工况下S-A湍流模型和SST k-ω湍流模型的计算精度开展对比研究，验证了数值方法的可靠性及湍流模型的适配性。 然后，计算小前进比和大前进比状态下复合式高速直升机刚性旋翼的气动特性，并将两种前进比状态进行了比较。结合三维桨叶的气动特性与桨叶截面二维翼型的气动特性对比，着重对大前进比后行桨叶区的反流气动特性进行分析研究，探讨高速飞行旋翼的三维流动特征。在应用RANS方法的同时，还加入了DES算法进行对比。 最后，在前面探讨过湍流模型与数值方法的基础上，采用基于密度的求解方法，计算了两种大前进比的计算状态，着重研究了前行桨叶区出现激波的位置和强度特性，还有局部出现的激波与边界层发生相互作用，诱导边界层分离等一系列问题。

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