基于CFD方法的直升机前飞状态配平分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaOct．252013V01．34No．102256．2264ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于CFD方法的直升机前飞状态配平分析冯德利，招启军*，徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，江苏南京210016摘要：在直升机非线性全量飞行动力学模型的基础上，提出了一种耦合计算流体力学(CFD)方法的前飞状态配平计算分析方法。为提高传统飞行动力学

2、建模中的直升机旋翼、机身和尾桨等部件的气动力计算精度，降低对试验数据的依赖性，建立了一个以Navier—Stokes方程为控制方程且包含旋翼和尾桨动量源项的直升机气动干扰流场及气动力的计算方法。采用非结构网格技术生成围绕直升机的网格，空间方向采用Jameson中心差分格式进行离散，时间推进采用五步龙格库塔法，并添加人工黏性以抑制解的数值振荡等，同时采用当地时问步长、变系数的隐式残值光顺等方法加速流场收敛。在耦合CFD方法的配平计算中，建立了一种将CFD计算得到的气动力与飞行动力学中的气动力高效耦合的策略。在飞行动力学模型和C

3、FD方法验证的基础上，以UH60A直升机为研究对象，进行了耦合CFD方法的全机配平分析，最后检验了耦合CFD模型的直升机配平方法的收敛性和精度。结果表明，该方法可以有效地提高配平分析精度，满足工程分析要求。关键词：直升机；旋翼；飞行动力学；配平分析；动量源方法；计算流体力学中图分类号：V211．52；V212．4文献标识码：A文章编号：10006893(2013)10—2256—09研究和改善直升机的平衡特性、稳定性和操纵性，可为直升机设计和改型提供重要指导和依据，使直升机能够达到飞行品质规范的要求，这是直升机飞行动力学的重

4、要任务。而直升机的配平分析则是研究直升机稳定性和操纵性的基础口]。因此开展直升机配平方面的研究对于直升机的设计和使用具有重要的应用价值。目前对于直升机的配平分析主要有试验方法和理论方法¨剖。试验方法是开展直升机平衡特性研究的直接而可靠的方法，但试验方法成本高、周期长，从而限制了试验方法的应用。相比于试验方法，理论分析方法研究周期短、成本较低，因此基于直升机全量方程和动量／叶素理论与涡流理论相结合的理论分析方法得到了广泛应用，但该方法难以精确地计算直升机各部件的气动力特性，无法很好地解决直升机各部件之问的气动干扰问题，特别是后

5、者太过依赖半经验公式、试验值和修正系数，这导致该方法在计算精度、通用性等方面存在很大不足。尤其是在新机外形布局设计的过程中，理论分析方法在计算精度和通用性方面的劣势更为突出。而计算流体力学(CFD)方法可以较精确地模拟直升机各部件的气动特性及气动干扰特性等，且几乎不受气动外形的限制，这对于提高直升机配平分析的精度和通用性具有重要的学术意义和实际价值。随着CFD技术的迅速发展，CFD方法在直升机领域的应用也越来越广泛。但直接将CFD方法用于飞行动力学建模中并不多见，目前查找收稿日期：2012-11-01；退修日期：2012-1

6、2-07；录用Et期：2012—12—17；网络出版时间：2013—01—0516：25网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V20130105．1625．005．htmI基金项目：国家自然科学基金(11272150)*通讯作者Tel：025—84893753E-mail：zhaoqijun@nuaaeducn戮填格武：FengDL．ZhaoQJ．XuGH．Trimanalys『sofhelicopterinforwardOightbasedonCFDmethod．ActaAerona

7、uticaetAstronauticaSinica．2013．34(10)：2256-2264．冯德翻．捂启军，徐国华．基fCFD方法的直升祝蓠飞状态配平分析航空学报，2013，34(10)：2256—2264冯德利等：基于CFD方法的直升机前飞状态配平分析到的仅有Martin等H1于2010年撰写的一篇该方面的文章。该文以ECl45为研究对象，验证了包含弹性桨叶的整机CFD模型在直升机自由飞行中配平的可行性，并详细讨论了该方法的精度、收敛性和稳定性。计算结果表明，用CFD模型比用低精度气动力模型的配平结果更接近真实值，初步

8、显示出高精度方法在直升机性能计算方面的潜在巨大优势。但是该方法由于采用了整机CFD模型并考虑了桨叶的气动弹性耦合效应，计算效率很低，离工程应用仍有较大的差距。国内在直升机飞行动力学建模方面，关于旋翼及机身干扰气动力的模拟仍然以低精度的气动经验公式和试验数据的修正为主[5‘7]，迫切需要引进