07-基于非结构网格的纵列式双旋翼悬停状态干扰流场分析-樊枫-5

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1、笫二十六届(2010)全国直升机年会论文基于非结构网格的纵列式双旋翼悬停状态干扰流场分析樊枫徐国华招启军叶靓(南京航空航夭大学直升机旋嶷动力学重点实验室，南京210016)摘要：建立了一个适用于纵列式双旋麗悬停状态干扰流场分析的计算方法。该方法中，采用非结构运动嵌套网格來描述两刚旋翼•桨叶的相对位置变化关系，控制方程采用绝对坐标系下的雷•诺平均N・S方程，空间离散釆用低耗散的Roe格式以降低尾迹的非物理耗散，时间推进使用高效的LU-SGS格式以提高计算效率。应川上述方法对忍停状态的Caradonna&Tung旋翼进行计算，并与可得到的试验数据进行对比，验证了计算方法的有效性。在

2、此基础之上，计算了纵列式双旋翼在悬停状态下的流场特性，得到了前、后旋翼桨叶表面的压力系数分布，并与参数相同的单独旋谟进行了对比，得到了一些有意义的结论。关键词：非结构网格；纵列式；双旋翼；干扰流场；直升机；N・S方程1引言纵列式双旋翼直升机是直升机的一种重要构型，其依靠前后布置的两副旋翼反向旋转来平衡反扭矩，因此可以去掉尾桨，从而避免了尾桨带来的一系列问题。另外，纵列式肓升机还具有机身容积大、允许的重心移动范围大、重虽效率高等优点，被认为是一种理想的重型直升机构型。然而，纵列式直升机询、后旋翼之间有一定的重叠，无论在悬停还是询飞状态，询、后旋翼都存在一定的气动干扰，其干扰流场要

3、比单旋翼流场复杂的多。因此，前、示旋翼间的干扰流场特性已经成为纵列式双旋翼直升机空气动力学研究的重点和难点。相比于单旋翼直升机，针对纵列式双旋翼白升机的研究还不多，并且大都是针对总体性能、操稳特性等方而的，研究手段主要是试验方法山⑵和采用一些简化模型的方法。国外关于纵列式肓升机进行了较多的研究，但公开发表的文献很少。文献［3］采用简单动虽理论和叶素理论推导了悬停状态下纵列式双旋翼在询、后旋翼共而吋的性能计算公式，并总结了之前做的一•些试验；1995年，Bagai等第一次使用H由尾迹方法来研究纵列式双旋翼的气动干扰问题。在国内，黄水林等⑷⑸采用自由尾迹方法和试验的方法针对纵列式双

4、旋翼的气动干扰问题进行了较深入的研究。近年来，随着CFD技术的发展，CFD越來越多地被应用于旋翼空气动力学研究中。童自力等⑹采用不可压的N-S方程对纵列式双旋翼流场进行了数值模拟；吴林波⑺采用欧拉方程针对纵列式双旋翼肓升机的旋翼机身干扰问题进行了一些研究。但是他们都是采用动量源来模拟旋翼对流场的作用，因此并很难准确计算旋翼桨叶附近的流场细节。悬停状态是肓升机的一个特色飞行状态，与单旋翼流场不同的是，纵列式双旋翼流场即使在悬停状态也是非定常的，这也增加了流场数值分析的难度。为准确捕捉纵列式双旋翼系统旋翼附近的粘性影响等流场细节，木文采用运动嵌套网格以模拟询、后旋翼桨叶的相对位置变

5、化；贴体网格上采用非定常N・S方程为主控方程，针对纵列式双旋翼悬停状态的干扰流场进行数值模拟，并对比计算了纵列式双旋翼和单独旋翼在旋转一周内的桨叶表面压力分布，分析了纵列式双旋翼干扰流场的特性。2计算方法2.1控制方程及数值方法惯性坐标系下积分形式的雷诺平均N-S方程可以写为前旋翼图1坐标系示意图图2计算网格示意图其中，W=[p,pu,pv,pw,pE^；q为流体密度，”,v,w为流体速度分量，E为单位流体内能；F(IV),G(W)分别为无粘通量和粘性通量；斤为控制面的法向欠量。为计及粘性作用，本文采用的湍流模型为Baldwin-Lomax模型。本文采用格心格式的有限体积法对控

6、制方程进行离散。无粘通量的计算采用运动网格上的Roe榕式凶，粘性通量则采用中心格式进行计算。时间推进方面采用双时间法来计及纵列式双旋翼流场的非定常特性，并在伪时间步上采用高效的、隐式的LU-SGS格式[9】进行伪时间步进。2.2边界条件物面采用无滑移边界条件和绝热壁条件，即q=qh，?=在远场，采用无反射边界条件。2.3坐标系血本文将处标系建立在后旋翼的桨毂中心处，如图1所示。3网格技术本文计算中采用的非结构运动嵌套网格由两部分组成：一是围绕桨叶的贴体网格，二是包围整个旋翼系统的背景网格。本文的背景网格虽然采用的是规则的笛卡尔网格，但是在计算过程将其转化为非结构的数据形式，便于

7、与桨叶贴体网格统一处理。对于前、后旋翼桨叶的区分，木文是这样处理的：当I_BLADE