基于混合网格的直升机旋翼-机身非定常干扰流场数值模拟方法

《基于混合网格的直升机旋翼-机身非定常干扰流场数值模拟方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于混合网格的直升机旋翼/机身非定常干扰流场数值模拟方法摘要：基于混合网格建立了一个适合于直升机旋翼/机身非定常干扰流场的数值模拟方法。其中，采用混合网格系统生成旋翼/机身干扰流场网格以降低网格生成难度；将二阶MUSCL格式和Roe格式相结合进行空间离散以提高流场的计算精度；同时引入隐式LU-SGS时间格式和OpenMP并行模式以提高干扰流场的计算效率。应用建立的计算方法，对Georgia和Robin旋翼/机身模型进行了数值模拟和分析，与试验结果良好的相关性表明了该方法的有效性。关键词：直升机；混合网格；旋

2、翼；机身；干扰流场;CFD中图分类号：V211.3文献标志码：A文章编号：1005-261502-0180-09旋翼/机身非定常干扰流场的数值模拟一直是直升机空气动力学领域中具有挑战性的研究内容之一。现代直升机的设计趋势正朝着大奖盘载荷和紧凑的结构设计方向发展，这预示着更加强烈的旋翼下洗流以及更小的旋翼/机身间距，这会引起愈加严重的旋翼/机身干扰问题。机身的存在阻碍了旋翼尾迹的自由发展，从而对旋翼的气动性能产生一定影响。反过来，机身处于紧靠旋翼奖盘的下方，旋翼产生的下洗流将直接打在机身上，这会使得机身产生一

3、定的向下载荷；同时，旋翼桨尖涡在向下游运动的过程中也常常与机身靠近通过，甚至直接与机身相碰，由此引起的涡面干扰会使机身产生较严重的振动载荷。因此，围绕旋翼/机身十扰问题展幵深入的研宄具有重要的学术意义和实际应用价值。在旋翼/机身干扰数值研究方面，由于计算资源以及计算方法的限制，早期的计算研究均采用尾迹方法对旋翼/机身干扰问题进行分析。尾迹方法计算效率高，但存在明显的不足，主要是，其计算精度常常依赖于涡核半径、桨尖涡拖出位置等经验参数，且在处理涡面碰撞时，需要引入涡畸变模型进行修正等。近年来，随着CFD技术以

4、及计算机技术发展，EULER方程和RANS方程开始应用剑旋翼/机身干扰流场的计算研宄中。然而，直升机旋翼/机身干扰流场的复杂性也对CFD求解方法提出了更高的要求。在网格技术方面，围绕具有复杂外形的机身生成高质量网格十分困难，并且旋翼与机身间存在复杂的相对运动关系，因此生成一套有效的网格系统是旋翼/机身干扰流场求解的关键之一；在求解精度方面，准确地模拟旋翼浆尖涡的生成及发展是直升机干扰流场分析的关键之处，这不仅要求生成高质量的网格，更重要的是提高求解器的计算精度，其中涉及到空间离散格式的计算精度、耗散特性等，

5、此外，选择合适的揣流模型对准确模拟附面层流动和浆尖涡的生成也是值得重视的；在求解效率方面，一般情况下，为减小流场求解的数值耗散，要求流场网格在直升机附近以及旋翼的尾迹区域均具有很细的网格尺度，而这会使得计算量和计算时间激增，因此，如何提高直升机干扰流场的求解效率也是一个重要的研究方面。本文拟从网格技术、流场求解精度和求解效率方面着手，建立一个适合于直升机旋翼/机身非定常干扰流场的数值计算模型，并重点开展旋翼下洗流场下机身表面非定常压力的计算研究。1.网格系统为有效地模拟直升机干扰流场，本文针对直升机各部件的

6、几何外形特点，分别采取不同的网格类型生成各部件的贴体网格。在旋翼奖叶网格方面，由于旋翼浆叶外形相对简单，对其生成结构网格难度不大，因此采用结构网格形式生成围绕旋翼浆叶的贴体网格以提高浆叶网格的生成质量，可有效地保证奖叶附近流场，尤其是附面层内流动的模拟精度；在机身网格方面，由于直升机机身具有更复杂的几何外形，如包含发动舱、平尾、垂尾等，本文采用非结构网格形式生成直升机机身网格，这可以大大降低网格生成难度。需要指出的是，对于某些外形简单的机身模型，如Georgia机身和Maryland机身等，仍可采用结构网格

7、形式生成其网格。为便于对背景网格、桨叶网格和机身网格的统一计算，本文将结构网格按照非结构网格的数据结构和存储方式进行处理，最终形成一套混合网格系统。同时，针对建立的混合网格系统，给出一套高效的、且完全自动化的嵌套网格方法以模拟直升机各部件间复杂的相对运动规律。1.1旋翼浆叶网格生成方法对于桨叶网格可采用三维结构网格生成方法直接生成单块网格，但鉴于旋翼奖叶外形的特殊性，一般不采取这种方法。桨叶翼型是构成桨叶的基石，本文针对旋翼浆叶外形的特点，将浆叶分解为二维翼型和一维梁模型，首先生成二维翼型结构网格，然后沿展

8、向进行平铺、扭转、插值等变换，最终得到结构化的三维桨叶网格1给出的是本文围绕UH60旋翼奖叶生成的C-型结构网格示意图。1.2机身网格生成方法如前文所述，直升机机身外形的复杂性使得围绕机身生成结构网格很困难，因此，对于具有复杂外形的机身，本文采用非结构网格生成围绕机身的贴体网格。另外，对于外形较为简单的机身模型。仍可以采用结构网格对机身流场空间进行填充，这既可提高网格质量，又不会增加太多难度。2给出了本文围绕Ro