直升机旋翼非定常动态失速的cfd模拟及其主动流动控制研究

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1、中图分类号：V211.52论文编号：102870115-B018学科分类号：082501博士学位论文直升机旋翼非定常动态失速的CFD模拟及其主动流动控制研究研究生姓名赵国庆学科、专业飞行器设计研究方向直升机空气动力学指导教师招启军教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年五月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringInvestigationsonCFDSimulation

2、andActiveFlowControlforUnsteadyDynamicStallofHelicopterRotorAThesisinAerospaceScienceandTechnologybyZhaoGuoqingAdvisedbyProf.ZhaoQijunSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMay,2015承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成

3、果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：2015.10.10南京航空航天大学博士学位论文摘要直升机旋翼动态失速现象对旋翼气动特性及振动特性等有重要影响，从而限制着直升机的飞行包线、机动飞行性能和振动水平。揭示动态失速对旋

4、翼非定常流场及气动特性的影响机理，抑制旋翼动态失速的不利影响，进而提高旋翼气动性能的研究一直是直升机空气动力学领域的研究重点和难点问题。本文基于新型旋翼运动嵌套网格生成方法，开展了旋翼非定常流场求解的高效、高精度CFD方法研究，并着重对旋翼非定常动态失速现象展开数值模拟与机理分析；在此基础上，开展了合成射流方法、动态下垂前缘方法以及二者结合的新型组合控制策略对旋翼及翼型动态失速特性影响规律的数值分析，并进行合成射流控制翼型失速特性的试验研究。主要研究工作包括以下几个方面：作为前提和背景，本文首先阐述了旋翼CFD方法、动

5、态失速分析以及旋翼主动流动控制方法研究的国内外现状，指出了开展旋翼动态失速特性数值研究及其主动流动控制机理分析的重要性，提出了目前研究中仍存在的问题及本文相应的研究方法。考虑到旋翼桨叶气动外形组成的复杂特点，基于Poisson方程求解方法，在论文第二章建立了一套高效、通用的旋翼网格参数化生成方法，并结合笛卡尔背景网格组成旋翼运动嵌套网格系统；针对嵌套网格方法中关键的洞单元识别及贡献单元搜索问题，分别建立了通用性好的“扰动衍射法”（DDM）和高效的“最小距离法”（MDSDE）。在第三章，基于可压N-S方程，建立旋翼非定常

6、流场数值分析的高效、高精度CFD方法。为降低非物理数值耗散，分别采用Roe格式和AUSM类格式对无粘通量进行离散；为模拟非定常特性，采用了双时间方法，其中伪时间迭代采用隐式无矩阵存储的LU-SGS方法；针对旋翼流场中可压流动与不可压流动并存的特点，发展了相应的低速预处理方法；为进一步提高计算效率，发展基于Open-MP技术的并行算法和聚合式多重网格方法。分别采用一方程S-A模型及两方程k-ωSST模型以有效模拟旋翼后行桨叶的大范围气流分离现象。通过系统的算例验证，表明建立的CFD方法在捕捉旋翼涡流动和气动特性等方面具有

7、高效、高精度的特点，为下一步开展旋翼动态失速及其主动流动控制分析奠定了基础。运用建立的CFD方法，第四章分析了旋翼翼型动态失速过程中动态失速涡的形成和对流过程，并开展脱体涡对翼型气动特性影响的数值分析；开展了旋翼翼型动态失速特性的参数（减缩频率、基准迎角和迎角变化幅值）影响规律研究；然后，着重分析了前飞状态三维效应影响下旋翼动态失速中的气流分离、动态失速涡运动特点及旋翼气动特性，并与对应二维翼型情况进行对比，分析了旋翼桨叶上轴向诱导速度以及桨叶展向流动特性对旋翼气动特性的影响，并进一步获得了前飞速度对旋翼非定常气动特性

8、的影响特性。I直升机旋翼非定常动态失速的CFD模拟及其主动流动控制研究在第五章，基于合成射流激励器出口的非定常吹/吸气速度假定，结合旋翼及翼型的来流条件及运动特性，建立适合于旋翼及翼型主动流动控制分析的射流控制方程。首先，针对单纯合成射流及射流/主流干扰的流场特性进行分析，同时以TAU0015翼型及VR-7B翼型为数值算例，验证了