基于粘性涡粒子方法的直升机地面效应模拟分析

摘要

在起飞、进场阶段以及贴地飞行时，由于地面对直升机旋翼尾流的阻挡作用，即地面效应（IGE）作用，直升机旋翼载荷会发生显著变化，从而旋翼性能(操纵特性、飞行性能以及飞行品质等)在该状态下会受到明显影响。因此，深入研究地面效应影响下的直升机旋翼气动特性具有重要理论和实际意义。本文基于粘性涡粒子方法和镜像法，采用Weissinger-L升力面模型模拟旋翼桨叶，通过求解涡动力学方程，建立了一个适用于直升机地面效应分析的方法。在此基础上，应用该方法着重研究了直升机在有地效（IGE）情况下的旋翼近地流场特征，分析了不同参数（悬停高度、旋翼总距、负扭转和前进比）对直升机旋翼气动特性的影响。最后，获得了一些有价值的结论。主要的研究内容如下：
　　第一章，主要介绍了研究直升机地面效应的重要意义、研究难点和国内外在直升机地面效应方面的研究现状，并阐述了基于拉格朗日描述的粘性涡粒子方法在直升机地面效应影响下旋翼流场模拟中的优势，并给出了本文的主要研究内容。
　　第二章，简述了离散涡方法在高雷诺数流动数值模拟中的优势，基于Navier-stokes方程，建立了以涡量-速度形式表达的粘性涡粒子方法，并采用了涡粒子分裂、涡粒子融合以及涡量收敛控制技术等，为数值模拟地面效应下的旋翼流场奠定基础。
　　论文在第三章，基于建立的粘性涡粒子方法，采用Weissinger-L升力面模型模拟旋翼桨叶，采用时间步进法推进，建立了一套直升机旋翼流场的数值模拟方法，并完成了相应程序的编写。应用所建立的方法，开展了无地效（OGE）状态下的直升机悬停及前飞状态下旋翼气动特性的算例计算，通过与试验值的对比，验证了粘性涡粒子方法在直升机旋翼流场模拟中的有效性。
　　第四章，基于第三章建立的直升机旋翼流场数值模拟方法，采用镜像法模拟地面对直升机旋翼尾流的阻碍作用，建立一套适合于地面效应状态下的直升机旋翼流场的分析模型，并编写了相应程序。通过与地面效应旋翼流场试验值的对比，表明了该方法在模拟地面效应影响下直升机旋翼流场及其气动特性的有效性。
　　第五章，在前面章节的基础上，分别针对不同悬停高度、不同前进比、不同负扭转、不同桨叶总距等参数对直升机贴地飞行时旋翼气动特性的影响进行了数值计算，着重分析了上述参数对直升机在地面效应状态下旋翼气动特性的影响，得出了一些有意义的结论。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

第二章 适合旋翼非定常涡流场模拟的粘性涡粒子方法

2.1 引言

2.2控制方程

2.3涡量场离散方法

2.4 涡量输运方程的求解方法

2.5涡粒子控制技术

2.6 小结

第三章 粘性涡粒子方法在直升机旋翼流场模拟中的应用

3.1 引言

3.2 旋翼桨叶的气动模型

3.3 计算流程

3.4 Boatwright旋翼悬停状态算例计算

3.5 Elliott试验旋翼前飞状态算例计算

3.6 小结

第四章 基于粘性涡粒子模型的直升机地面效应模拟方法

4.1 引言

4.2 直升机地面效应的数值模拟方法

4.3 计算流程

4.4 直升机地面效应算例验证

4.5 小结

第五章 悬停及小速度前飞时直升机地面效应参数影响研究

5.1 引言

5.2 悬停高度参数对直升机地面效应影响

5.3 旋翼总距参数的影响

5.4 桨叶负扭转变化的影响

5.5 前进比变化对直升机地面效应的影响

5.6 小结

第六章 结束语

6.1 本文主要工作及结论

6.2 本文研究特色

6.3 进一步研究设想

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文