基于CFD方法的先进旋翼气动特性数值模拟及优化研究

摘要

具有非常规桨叶气动外形的先进旋翼的气动特性数值模拟及优化设计方法研究是直升机空气动力学领域富有挑战性的研究课题。本文一方面开展了适合于优化分析的高精度CFD旋翼气动外形计算方法研究，发展了相应的网格技术和流场求解器，进行了桨叶外形参数对旋翼气动性能的影响分析及优化研究。另一方面，提出了“CLOR”先进旋翼的改进设计—“CLOR-Ⅱ”，开展了悬停、前飞状态气动特性试验研究以及外场气动噪声试验研究。主要工作包括以下几个方面:
　　作为前提和背景，本文首先阐述了桨叶气动外形对直升机旋翼流场和气动特性的重要影响，并对直升机旋翼流场数值模拟技术及气动特性研究、旋翼气动外形研究、旋翼气动外形优化设计研究等内容的国内外现状进行了概述，指出了现有研究中存在的不足以及难点，提出了本文拟采用的研究方法和内容。
　　根据气动外形优化设计的需要，第二章建立了一种高效、鲁棒的参数化桨叶网格生成方法。同时根据网格特点给出了一个新的快速、自动的运动嵌套网格间单元对应关系判断策略，以用于运动嵌套网格单元判定和贡献单元搜索。
　　以桨叶网格生成技术为基础，结合运动嵌套网格技术，本文又发展了适合于悬停和前飞状态旋翼流场数值计算的方法。为更好地模拟旋翼尾迹的影响，空间离散采用了低耗散的Roe-MUSCL计算格式，为计入桨叶近场的粘性影响，采用了鲁棒性好的B-L湍流模型，并采用了对称边界条件、隐式残值光顺、当地时间步长等方法加速流场计算。作为算例验证，应用该方法计算了具有不同桨叶气动外形的旋翼的流场特性，并与可得到的试验结果进行了对比。
　　应用上一章建立的流场数值方法，开展了旋翼翼型、后掠、下反等外形参数的影响研究。分别计算了不同弯度、最大弯度位置和厚度等翼型参数对旋翼气动特性的影响，分析了后掠、下反桨尖不同起始位置和变化角度对旋翼气动特性影响的特点。
　　然后，将前文建立的CFD方法和代理模型方法相结合展开了旋翼桨叶气动外形的优化研究。分别对旋翼扭转、后掠和下反等参数进行了优化计算与分析，并与参考桨叶进行了对比，验证了优化方法的有效性，得到了一些有意义的结论。
　　最后，本文着重开展了“CLOR-Ⅱ”旋翼气动和噪声试验的研究。设计并制作了矩形、后掠和“CLOR-Ⅱ”桨尖的模型旋翼，在风洞中测量了悬停及前飞状态的旋翼气动力，并在外场进行了旋翼的悬停噪声试验，对比分析了三种模型旋翼的气动和噪声特点。作为试验的补充，亦采用数值方法对更高桨尖马赫数状态下试验旋翼进行了数值模拟，并对结果进行了进一步分析。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究概况

1．2．1 直升机旋翼流场和气动特性的研究进展

1．2．2 直升机旋翼气动外形的研究进展

1．2．3 旋翼桨叶气动外形优化设计的研究进展

1．3 本论文的主要研究内容

第二章 用于桨叶气动外形优化的旋翼流场网格生成方法

2．1 引言

2．2 桨叶网格生成方法

2．2．1 桨叶描述方法及生成策略

2．2．2 二维旋翼翼型网格生成方法

2．2．3 桨叶网格生成方法

2．3 旋翼运动嵌套网格方法

2．3．1 挖洞方法

2．3．2 “透视图”法在Inverse Map建立中的应用

2．4 二维翼型网格计算算例验证

2．5 本章小结

第三章 旋翼非定常流场数值模拟方法

3．1 引言

3．2 旋翼流场求解方法

3．2．1 流场控制方程

3．2．2 粘性计算

3．2．3 空间离散及无粘通量计算

3．2．4 时间推进方法

3．2．5 边界条件及加速收敛技术

3．2．6 前飞状态旋翼配平方法

3．2．7 计算流程图

3．3 旋翼悬停流场的数值模拟

3．3．1 BO-105直升机全尺寸旋翼悬停状态的数值模拟

3．3．2 Helishape 7A模型旋翼悬停状态的数值模拟

3．3．3 UH-60直升机模型旋翼悬停状态的数值模拟

3．4 旋翼前飞流场的数值模拟

3．4．1 Caradonna-Tung模型旋翼的数值模拟

3．4．2 Helishape 7A模型旋翼的数值模拟

3．4．3 SA349／2直升机旋翼的数值模拟

3．4．4 UH-60模型旋翼的数值模拟

3．5 本章小结

第四章 桨叶外形参数对旋翼气动特性的影响研究

4．1 引言

4．2 翼型参数的影响

4．2．1 翼型弯度及其位置变化对旋翼流场及性能的影响

4．2．3 翼型厚度对旋翼流场及性能的影响

4．2．3 翼型配置对旋翼流场及性能的影响

4．3 桨尖后掠参数的影响

4．3．1 后掠起始位置对旋翼气动性能的影响

4．3．2 后掠角度对旋翼气动性能的影响

4．4 桨尖下反参数的影响

4．4．1 下反参数选择

4．4．2 下反起始位置对旋冀气动性能的影响

4．4．3 下反角度对旋翼气动性能的影响

4．5 结论

第五章 旋翼桨叶气动外形的优化计算及分析

5．1 引言

5．2 代理模型方法

5．2．1 试验设计方法

5．2．2 近似方法

5．2．3 近似模型的预测能力的验证

5．2．4 代理模型优化的流程

5．3 外形参数的单独优化

5．3．1 扭转分布优化计算结果及分析

5．3．2 桨尖后掠优化计算结果及分析

5．3．3 桨尖下反优化计算结果及分析

5．4 外形参数的综合优化

5．4．1 桨叶优化设计变量的选择

5．4．2 优化计算结果及分析

5．4．3 前飞状态模拟

5．5 结论

第六章 改进型CLOR桨尖旋翼气动及噪声特性试验研究

6．1 引言

6．2 CLOR-Ⅱ桨尖旋翼试验模型

6．3 旋翼气动及噪声特性试验装置及方法

6．3．1 气动试验设备与方法

6．3．2 噪声试验设备与方法

6．4 CLOR-Ⅱ桨尖旋翼悬停状态气动性能试验及数值模拟

6．4．1 悬停状态气动性能试验结果及分析

6．4．2 悬停状态数值模拟结果及分析

6．5 CLOR-Ⅱ桨尖旋翼前飞状态气动性能试验

6．6 CLOR-Ⅱ桨尖旋翼噪声特性试验及数值模拟

6．6．1 噪声特性试验结果及分析

6．6．2 旋翼噪声特性数值模拟及分析

6．7 CLOR桨尖与CLOR-Ⅱ桨尖气动性能对比

6．8 结论

第七章 研究工作总结及展望

7．1 本文研究工作的总结

7．2 本文的主要创新点

7．3 后续研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文