旋翼非定常流场的黏性涡数值模拟方法及其混合方法的研究

摘要

旋翼尾迹作为直升机旋翼流场的重要特征，一直是直升机空气动力学领域的研究重点和难点。本文基于计入黏性的离散涡方法并引入快速多极子算法开展了高分辨率的旋翼尾迹模拟新方法研究。在该方法的基础上分别结合Weissinger-L升力面理论建立了高效的旋翼尾迹求解模型，以及耦合CFD方法发展了适合于旋翼非定常流场的高分辨率混合计算方法。应用所发展的方法针对不同飞行状态下不同旋翼的流场和气动特性进行了数值计算与算例验证;特别地，基于所建方法和试验手段针对尾迹特征更为复杂的倾转旋翼机旋翼流场进行了深入研究。主要工作包括如下几个方面:
　　作为前提和背景，首先阐述了论文的研究目的，针对直升机旋翼尾迹方法、旋翼CFD方法以及适用于旋翼流场分析的混合计算方法等的国内外研究现状进行了概述，指出了现有计算方法/模型所存在的不足及难点，并依此提出了本文拟采用的解决方案和研究内容。
　　针对旋翼流场中尾迹作用的特点，本文基于计入黏性的离散涡方法建立了高分辨率的旋翼尾迹分析方法。该方法中，为提高数值稳定性以及计算效率，一方面采用了适用于旋翼尾迹计算的涡元“疏密失调”控制方法、自适应涡元数目控制机制和无散修正等策略对离散涡元的涡量及空间分布进行修正;另一方面引入了多层自适应快速多极子加速算法对自诱导速度及速度梯度的计算过程进行加速。
　　基于所建立的黏性涡方法，结合Weissinger-L升力面理论建立了一套新的旋翼尾迹分析模型;为提高所建模型在旋翼气动特性计算方面的能力，在载荷计算过程中结合了Beddoes非线性翼型失速模型以及Selig展向流修正模型;同时针对计算过程中适配旋翼操纵量的需求，发展了一套高效、通用的“差量法”配平策略。应用所建分析模型，分别针对Boatwright试验旋翼、Caradonna&Tung旋翼、Elliott试验旋翼以及H-34直升机全尺寸旋翼等展开了数值计算，不仅验证了方法的有效性，而且分析了黏性涡方法的数值特点。
　　文中进一步针对桨叶升力面模型无法捕捉流场细节的缺点，又耦合CFD方法发展了适用于旋翼非定常流场分析的高分辨率混合计算方法。应用这一混合方法，针对Caradonna&Tung旋翼、Helishpae7A试验旋翼以及UH-60A直升机旋翼分别进行了数值计算，着重分析了混合方法所体现的、在计算精度及计算效率方面的特点，并验证了方法的有效性。
　　最后，在论文第五和第六章，基于所发展的计算方法和模型，并结合旋翼台试验，针对复杂的倾转旋翼机旋翼流场深入地研究了:(1)桨叶的大负扭转特征对旋翼尾迹和气动特性的影响;(2)双旋翼干扰状况下的旋翼尾迹特点及其影响;(3)旋翼/机翼的流场干扰特性及其对旋翼以及机翼气动性能的影响。得出了对倾转旋翼机设计有实际指导意义的结论。