傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)非定常氣動(dòng)特性分析及氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)作為一種獨(dú)特的飛行器，同時(shí)擁有直升機(jī)的垂直起降和螺旋槳飛機(jī)的高速巡航能力。但是在結(jié)合了直升機(jī)與固定翼飛行器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也引入了相對于單一直升機(jī)飛行模式與飛機(jī)飛行模式更為復(fù)雜的氣動(dòng)問題，例如巡航和懸停狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼非定常流場和氣動(dòng)特性、滿足多工作模式要求的傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)設(shè)計(jì)、復(fù)雜的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)干擾等。因此，深入開展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)非定常氣動(dòng)特性分析及氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究對提高傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)性能具有重要的學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用

2、價(jià)值。本文基于新型運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格系統(tǒng)，開展了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的高效、高精度CFD方法研究，并應(yīng)用建立的數(shù)值模擬方法分別針對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)設(shè)計(jì)、過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)特性、傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)身氣動(dòng)干擾開展了深入分析研究，并進(jìn)行了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)槳尖渦流動(dòng)機(jī)理以及旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)干擾特性的初步試驗(yàn)研究。主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　　作為前提和背景，首先闡述了論文的研究目的及意義，概述了傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)、傾轉(zhuǎn)旋翼過渡狀態(tài)、傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)身氣動(dòng)干

3、擾等的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究中存在的不足，并相應(yīng)的提出了本文擬采用的研究方法及內(nèi)容。
　　在第二章，針對不同飛行狀態(tài)的復(fù)雜傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)構(gòu)型和傾轉(zhuǎn)旋翼的運(yùn)動(dòng)特性，基于三維Poisson方程，分別建立了適用于槳葉氣動(dòng)外形優(yōu)化分析以及傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)干擾分析的運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格生成方法，并提出了多層運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格系統(tǒng)。為了提高傾轉(zhuǎn)旋翼運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格方法中洞邊界生成和貢獻(xiàn)單元搜尋的效率，提出了“逆向邊界（Reverse Boundary）”挖洞方法

4、和“局部索引（Local Inverse Map）”貢獻(xiàn)單元搜尋方法。與此同時(shí)，基于“多向投影”挖洞技術(shù)，提出了適合傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)干擾分析的高效組合嵌套網(wǎng)格方法。經(jīng)數(shù)值算例驗(yàn)證了提出的網(wǎng)格生成方法和運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格方法的有效性。
　　在建立的網(wǎng)格生成方法基礎(chǔ)上，第三章構(gòu)建了適用于不同飛行狀態(tài)下的傾轉(zhuǎn)旋翼及傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的非定常流場數(shù)值模擬方法。將Navier-Stokes方程作為流場分析的控制方程，空間離散采用Jameson中心差分格式，湍流

5、模型選取了一方程S-A模型，非定常時(shí)間推進(jìn)采用了雙時(shí)間方法，偽時(shí)間迭代為隱式無矩陣存儲(chǔ)LU-SGS格式。針對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)特性、傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)干擾特性等研究過程中對分析方法精度和效率要求的差異性，分別提出并建立了適用于傾轉(zhuǎn)旋翼模擬的RBM、SRMS、HBM方法。為了克服傳統(tǒng)動(dòng)量源方法過多簡化槳葉氣動(dòng)外形以及對槳葉流場離散效應(yīng)模擬方面存在的不足，提出了一種非定常動(dòng)量源（BFMS）方法。為提高傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)復(fù)雜流場模擬的計(jì)算效率，針對不

6、同的計(jì)算規(guī)模分別發(fā)展了基于共享存儲(chǔ)式內(nèi)存OpenMP技術(shù)和分布式存儲(chǔ)MPI技術(shù)的并行加速方法。通過翼型、機(jī)翼、旋翼、飛行器等不同流場算例計(jì)算，驗(yàn)證了建立的數(shù)值模擬方法的有效性，為進(jìn)一步開展傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)問題的研究奠定了分析方法基礎(chǔ)。
　　鑒于傾轉(zhuǎn)旋翼懸停工作模式和巡航工作模式對其氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)存在的設(shè)計(jì)矛盾問題，在第四章提出并建立了一個(gè)高效的傾轉(zhuǎn)旋翼/螺旋槳槳葉的“分層優(yōu)化設(shè)計(jì)”方法。其中，運(yùn)用高效的動(dòng)量—葉素理論開展槳葉的初步設(shè)計(jì)

7、，并通過將基于置換遺傳算法優(yōu)化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和徑向基函數(shù)(RHF)的代理模型優(yōu)化方法引入槳葉外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)的計(jì)算代價(jià)?；趧?dòng)量理論和葉素理論，建立了適用于設(shè)計(jì)狀態(tài)配平的操縱量預(yù)測方法，考慮直升機(jī)旋翼和螺旋槳的性能評價(jià)指標(biāo)特點(diǎn)，給出了傾轉(zhuǎn)旋翼的綜合氣動(dòng)性能指標(biāo)。然后，基于建立的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開展了不同槳葉構(gòu)型（扭轉(zhuǎn)、弦長、前后掠、三維槳尖）對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)性能影響規(guī)律的分析。隨后，嘗試分析了不同轉(zhuǎn)速、直徑

8、對傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)特性的影響特性，提出了保留槳葉尖部高升力翼型的變直徑構(gòu)型能進(jìn)一步提高傾轉(zhuǎn)旋翼的巡航氣動(dòng)性能。在此基礎(chǔ)上，開展了滿足懸停性能和高速巡航飛行要求的傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)設(shè)計(jì)，得到了一類具有典型特征的高性能傾轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)布局優(yōu)化方案。
　　為了探索過渡飛行狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼的非定常氣動(dòng)特性及旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)力的匹配關(guān)系，第五章通過耦合BEMT、SRMS、RBM氣動(dòng)模型和Newton迭代方法建立了能用于傾轉(zhuǎn)旋翼過渡飛行特性分析的氣動(dòng)力匹配方法

9、。然后，基于多層運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格方法，采用SRMS和RBM方法分別開展了過渡狀態(tài)下傾轉(zhuǎn)旋翼非定常流動(dòng)機(jī)理的數(shù)值模擬研究。接著，采用建立的傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼配平分析方法，研究了連續(xù)過渡過程中的傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)力匹配準(zhǔn)則。最后，對傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼的過渡飛行特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并初步揭示了過渡飛行中傾轉(zhuǎn)旋翼非定常流場的渦流動(dòng)特性。
　　在第六章，針對懸停狀態(tài)下的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)干擾問題，分析了不同旋翼/機(jī)翼間距、機(jī)翼迎角、前掠、變機(jī)翼構(gòu)型對氣動(dòng)干

10、擾特性的影響，模擬了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)特有的“噴泉效應(yīng)”，獲得了相應(yīng)的參數(shù)影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分別開展了不同變機(jī)翼構(gòu)型和襟翼角（被動(dòng)降載）、定常射流（主動(dòng)降載）、綜合降載措施、動(dòng)態(tài)機(jī)翼對氣動(dòng)干擾的優(yōu)化效果的對比分析，并通過三維全尺寸模擬驗(yàn)證了降載措施的實(shí)際降載效果，發(fā)現(xiàn)PFC和AFC方法能夠較好的降低懸停下的旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)干擾，綜合降載控制方法相對于單一的被動(dòng)降載方式具有明顯的降載優(yōu)勢，動(dòng)態(tài)機(jī)翼構(gòu)型在降載方面有較大的潛力。
　　針對傾轉(zhuǎn)

11、旋翼機(jī)旋翼/機(jī)身之間存在的復(fù)雜氣動(dòng)干擾特性，在第七章開展了初步試驗(yàn)與數(shù)值研究。首先，基于PIV技術(shù)測量了不同總距時(shí)旋翼/機(jī)身干擾流場，揭示了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的典型“噴泉效應(yīng)”現(xiàn)象，并分析了旋翼/機(jī)翼間的氣動(dòng)干擾形成機(jī)理。然后，結(jié)合建立的數(shù)值模擬方法綜合分析了旋翼與機(jī)翼垂直間距變化對傾轉(zhuǎn)旋翼流場及氣動(dòng)力的影響特性。接著，測量并分析了不同旋翼/機(jī)翼間的垂直間距和水平間距對旋翼/機(jī)翼干擾氣動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明垂直間距和水平間距的變化會(huì)對旋翼/機(jī)翼