旋翼翼型主动流动控制的数值分析.doc

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1、旋翼翼型主动流动控制的数值分析韩忠华，张科施，宋文萍，乔志德（西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安710072）摘要零质量射流技术由于其无需气源和能耗低、响应快、控制灵活等特点，在提高直升机旋翼气动性能和飞行性能方面具发展潜力。本文基于雷诺平均N-S方程，数值模拟了旋翼翼型的失速控制。以VR-7B旋翼翼型为例，对定常射流、脉冲吹气、脉冲吸气以及零质量射流的控制效果进行了比较，说明零质量射流控制效果最明显；研究了流动压缩性对控制效果的影响，揭示了随马赫数增加控制效果减弱的原因在于射流动量系数的减小；通过将射流分解为切向分

2、量和法向分量，初步分析了零质量射流分离控制的机理和特性。数值模拟了OA212R翼型深度动态失速的主动控制，研究表明，零质量射流控制效果优于定常射流；研究了射流位置的影响，发现在12%c和62%c位置处射流同时作用的组合射流控制效果最为明显。关键词：主动流动控制，Navier-Stokes方程，零质量射流，旋翼国内外研究者在零质量射流（合成射流[1]）致动器设计、流场特性和形成机理等方法进行大量研究[2,3]，并初步开展了零质量射流技术在主动流动控制的应用研究。在翼型流动控制方面，国内外已有研究初步表明微射流技术在抑制分离、推迟失速、增加升力和

3、减小阻力等方面具有很好的应用前景[4-7]。本文基于雷诺平均N-S方程，研究发展了零质量射流与翼型干扰流场的高效数值模拟方法，并重点研究了旋翼翼型失速控制的控制效果、控制特性和控制机理。1数值分析方法以积分形式雷诺平均N-S方程为控制方程,并采用格心有限体积法进行求解。空间离散采用AUSM+-up格式，时间推进采用了含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法，且引入了预处理方法和多重网格法。湍流模型采用SA一方程模型。为了模拟零质量射流对翼型绕流的影响，采用了如下的非定常吹吸气边界条件(如图1)(1)其中，代表定常部分的速度，代表脉动部分的速

4、度峰值，为射流的脉动角频率；代表沿射流出射方向的单位矢量，并定义与翼型当地表面切向的夹角为（本文称为射流偏角，代表法向射流，代表近切向射流）；代表沿射流喷口方向的空间分布函数，本文取如下分布：(2)为了描述射流的能量，引入射流吹气动量系数定义：(3)其中和分别用来描述定常部分和脉动部分的射流动量系数，为翼型弦长。为射流的有效宽度，定义为(设喷口宽度为)。由于射流速度脉动将影响喷口处法向压力梯度，这里根据法向动量方程采用了如下关系式进行边界条件的修改（4）其中代表喷口法线方向。图1翼型非定常吹/吸气边界条件定义示意图2VR-7B旋翼翼型的主动流

5、动控制VR-7B翼型为美国波音公司设计的直升机旋翼翼型，该翼型相对厚度为12%，具有良好的升力特性，但力矩较大。本文对该翼型进行了微射流主动控制的数值模拟研究，一方面验证微射流改善旋翼翼型静态失速特性的控制效果，另一方面研究旋翼翼型微射流控制的控制特性、控制规律和控制机理。直升机旋翼翼型的流动控制具有特殊性，表现在两个方面：(1)更强调翼型综合性能的改善，例如，除关心升阻特性的改善外，保持良好的力矩特性对于旋翼翼型也有决定性的影响；(2)必须考虑压缩性的影响。对于固定翼飞机翼型而言，的失速特性比较重要。而对于旋翼翼型，我们更关心范围内的失速特

6、性。本文对30%弦长位置的微射流控制进行了数值模拟研究。计算网格为369×65的C网格（如图1所示），上表面布置了176条网格线，喷口上布置了25条网格线，在喷口下游处使用了41条网格线用于加密处理，物面最小法向间距取为1.0×10-5倍的翼型弦长。计算格式仍然采用计算效率高、耗散较小的预处理AUSM+-up格式。VR-7B翼型的静态失速迎角在14度左右（如图2），我们选取进行流动研究。该迎角下分离特性将直接影响翼型的最大升力及其失速特性。马赫数范围为0.1≤Ma≤0.5，雷诺数取为7×Ma×106。Jet图2VR-7B计算网格示意图（369

7、×65）图3VR-7B翼型升力特性（）2.1不同类型射流控制效果比较首先研究了Ma=0.3时的零质量射流控制。射流频率取为0.71，动量系数为0.007，射流偏角取为25度。计算均采用非定常计算，共进行了180个射流周期的计算，前120个周期用于不加射流计算，后60个周期用于加控制的计算。气动力系数取最后若干周期的平均值。图4以零质量射流为例给出了非定常计算过程中升力系数、阻力系数和力矩系数的收敛情况。当未加射流控制的计算充分收敛后，大约经过20～30周期计算力系数可充分收敛。相对于未加控制的基准状态，零质量射流控制使翼型升力系数增加9.3%

8、、阻力系数减小18.3%，力矩系数绝对值减小31.3%，翼型的综合性能得到提升。其中力矩系数绝对值减小量尤为突出。(a)升力系数(b)阻力系数(c)力矩系数图4VR