基于高精度算法的新型桨尖旋翼流场模拟

摘要

旋翼是直升机关键的气动部件，其始终工作在复杂多变的自身涡流环境中，这对直升机气动特性造成重要影响，因此旋翼流场及气动特性的分析计算一直是直升机技术领域的研究重点和难点，尤其是针对旋翼涡流场中桨尖涡的生成与演化过程的计算模拟。为提高旋翼气动性能而提出的多种不同新型旋翼桨叶气动外形，则进一步加大了旋翼涡流场及气动特性模拟的难度。本文以此为研究背景，开展了新型桨尖旋翼流场的高精度CFD算法研究，具体内容如下：
　　作为前提和背景，第一章主要阐述了旋翼CFD方法、新型桨尖旋翼和高精度算法的国内外研究现状，指出了开展针对新型桨尖旋翼流场及气动特性模拟的高精度算法研究的重要意义，并给出了本文的主要研究内容。
　　第二章，考虑到新型桨尖旋翼的复杂气动外形，基于Poisson方程求解方法，构建了一套适合于新型桨尖旋翼的参数化网格生成方法。以此为基础，考虑桨叶的旋转、挥舞、变距等运动，建立了满足旋翼前飞非定常流场模拟的运动嵌套网格方法；采用了“扰动衍射”方法和Inverse map方法，解决了运动嵌套网格技术中的洞单元识别和贡献单元搜索的关键问题。
　　第三章，基于三维可压RANS方程和一方程S-A湍流模型，建立了一套适合于旋翼非定常流场模拟的CFD方法。其中，为降低非物理数值耗散，采用了ROE格式对无粘通量进行离散；采用双时间方法进行物理时间和伪时间的推进，其中伪时间的迭代采用了高效的隐式LU-SGS算法；同时采用了OpenMP并行技术来进一步提高旋翼非定常流场的计算效率。
　　第四章，为提高旋翼流场计算算法的精度和降低对流通量计算格式的数值耗散，研究了高精度WENO格式的构造。从一维双曲守恒方程出发，通过对WENO格式的网格模板的选取、插值多项式的构造、权重系数的选择和光滑性系数的计算，推导出高精度WENO格式的构造格式，并将其应用于ROE格式左右变量的重构中。对典型二维旋翼翼型和三维机翼算例进行了计算，验证了WENO格式的较高分辨率和较低数值耗散特性。
　　第五章，运用建立的高精度CFD方法，分别对悬停和前飞状态多种不同旋翼（包括常规旋翼和新型桨尖旋翼）气动特性和涡流场进行了计算模拟。通过与试验值和低阶数值格式JST、ROE-MUSCL格式的计算结果的对比，表明了高精度CFD方法在旋翼流场及气动特性模拟方法的优势。
　　第六章，并以UH-60A旋翼为基准旋翼，运用上述建立的高精度旋翼CFD方法，开展悬停和前飞状态下旋翼桨尖外形参数（后掠、尖削和下反）对旋翼涡流场和气动特性的影响分析，获得了桨尖外形对旋翼气动特性及流场的影响规律。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究工作

第二章 适用于新型桨尖外形的网格生成方法

2.1引言

2.2二维翼型贴体网格生成方法

2.3三维旋翼贴体网格生成方法

2.4旋翼运动嵌套网格方法

2.5小结

第三章 高效的旋翼非定常数值模拟方法

3.1引言

3.2旋翼非定常流场控制方程

3.3高精度空间离散方法

3.4非定常高效时间离散方法

3.5湍流模型

3.6边界条件与加速技术

3.7小结

第四章 高精度的插值格式构造

4.1引言

4.2 WENO格式的构造过程

4.3五阶WENO格式的构造形式

4.4三阶MUSCL格式的构造形式

4.5 WENO格式的初步应用

4.6小结

第五章 高精度格式在旋翼流场模拟中的应用

5.1引言

5.2旋翼流场计算架构

5.3高阶WENO格式在悬停涡流场中的应用

5.4高阶WENO格式在旋翼前飞涡流场中的应用

5.5小结

第六章 基于高精度算法的新型桨尖旋翼参数影响分析

6.1引言

6.2悬停状态的对比

6.3前飞状态的对比

6.4小结

第七章 研究工作总结及展望

7.1本文研究工作总结

7.2本文的主要创新点

7.3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