本文關鍵詞：旋翼槳尖渦高精度數(shù)值模擬與流動控制研究

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【摘要】：作為直升機的核心部件,旋翼的性能對整架直升機的安全性、經(jīng)濟性和舒適性具有至關重要的影響,直升機旋翼空氣動力學一直是航空領域內的研究熱點,旋翼的空氣動力學問題則是直升機旋翼空氣動力學研究的重要內容。隨著計算機硬件水平以及數(shù)值計算方法的飛速發(fā)展,CFD技術已經(jīng)成為旋翼空氣動力學分析研究的重要手段,在直升機氣動設計過程中發(fā)揮著重要的作用。槳尖渦在旋翼尾渦流場中起主導作用,旋翼槳尖渦的高精度數(shù)值模擬一直是旋翼空氣動力學研究中的關鍵技術及難點。旋翼槳尖渦會給直升機的氣動特性帶來很多不利的影響,例如槳渦干擾、槳尖渦/機身干擾等,有關旋翼槳尖渦的流動控制技術研究也是近年來的研究熱點,旋翼開孔槳尖流動控制技術能夠有效地耗散減弱旋翼槳尖渦,減少槳尖渦帶來的不利影響,是一種有巨大潛力的流動控制技術。本文開發(fā)了基于結構網(wǎng)格動態(tài)面搭接技術和五階Roe-WENO格式的非定常RANS方法和RANS/LES混合方法的旋翼流場計算分析程序,對旋翼槳尖渦進行了精細化數(shù)值模擬研究,并在此基礎上對旋翼開孔槳尖流動控制技術進行了探索性研究。論文工作主要包括以下幾個方面:1、利用結構網(wǎng)格動態(tài)面搭接技術實現(xiàn)旋翼的旋轉運動,基于三階Roe-MUSCL格式、雙時間步法、k-?SST湍流模型和多塊結構網(wǎng)格的MPI并行計算策略,開發(fā)了用于旋翼懸停和簡單前飛狀態(tài)流場分析的非定常RANS方法計算程序。通過對旋翼、螺旋槳典型算例的數(shù)值模擬分析,驗證了該計算程序的可靠性。2、針對傳統(tǒng)三階Roe-MUSCL格式隱含數(shù)值耗散過大導致旋翼槳尖渦在計算過程中被耗散減弱的問題,采用五階Roe-WENO格式對所開發(fā)的旋翼流場非定常RANS方法計算分析程序進行了改進,并針對Caradonna-Tung旋翼進行了數(shù)值模擬研究,計算結果表明五階Roe-WENO格式有效地改善了計算程序對于槳尖渦的捕捉效果;在此基礎上論文針對旋翼槳尖渦進行了比較系統(tǒng)的分析,研究了旋翼槳尖馬赫數(shù)及旋翼槳距角對旋翼槳尖渦的影響,研究結果表明:旋翼懸停狀態(tài)下,旋翼槳尖馬赫數(shù)主要影響旋翼槳尖渦的強度,旋翼槳尖馬赫數(shù)越大槳尖渦的強度也越大。旋翼槳距角的大小對于旋翼槳尖渦的發(fā)展有著重要影響,槳距角越大,槳尖渦向下發(fā)展的程度越大同時向內收縮的程度也越大。論文計算得到的旋翼懸停流場槳尖渦變化規(guī)律對于研究懸停狀態(tài)下的旋翼槳渦干擾、旋翼/機身干擾有重要的意義。3、將采用五階Roe-WENO格式改進后的旋翼流場非定常RANS計算分析程序對旋翼簡單前飛狀態(tài)(不考慮揮舞、變距)下的流場進行了數(shù)值模擬,進一步驗證計算程序的可靠性,計算捕捉到了前行槳葉一側(槳葉旋轉方向與來流方向相反)的槳渦干擾現(xiàn)象;旋翼前飛狀態(tài)下兩側的尾渦形態(tài)有明顯的差異,前行槳葉一側有明顯的槳尖渦集中渦束。4、針對RANS方法對于復雜湍流流動模擬能力不足的問題,論文對RANS/LES混合方法進行了研究,基于五階Roe-WENO格式和k-?SST湍流模型實現(xiàn)了DDES方法和IDDES方法的計算程序開發(fā),并針對串列雙圓柱標準算例進行了數(shù)值模擬,檢驗論文中DDES方法和IDDES方法對復雜湍流流動模擬的可靠性,對雙圓柱算例的計算結果表明:DDES方法計算出的上游圓柱出現(xiàn)了很長的未失穩(wěn)剪切層,這是DDES方法中的RANS方法保護函數(shù)仍未關閉引起的,而IDDES方法將RANS/LES切換向邊界層內壓迫,因此預測到的上游圓柱剪切層失穩(wěn)更為準確,計算得到的流場結構也更為豐富,與實驗結果更為接近。5、采用所開發(fā)的旋翼流場計算分析程序對Caradonna-Tung懸停狀態(tài)的旋翼槳尖渦進行了高精度數(shù)值模擬研究,分別對比了相同網(wǎng)格量級下RANS方法、DDES方法、IDDES方法計算得到的旋翼槳尖渦結構,計算結果表明:DDES方法和IDDES方法對尾跡關注區(qū)域內流動細節(jié)模擬得更好,計算得到的旋翼槳尖渦結構更為豐富。IDDES方法捕捉到的旋翼槳尖渦附近的細小蠕蟲渦結構較DDES方法更加明顯,同時IDDES方法計算結果中還可以觀察到槳尖渦的“渦核聯(lián)會”現(xiàn)象,表現(xiàn)出明顯的非定常特征,與國外類似旋翼實驗得到的現(xiàn)象一致,對于深入研究旋翼流動機理、旋翼/機身干擾問題以及開展高精度旋翼噪聲預測有重要的意義。6、采用所開發(fā)的旋翼流場計算分析程序對旋翼開孔槳尖控制技術進行了探索性研究,對比分析了開孔前后的旋翼槳尖渦流場,深入探討了旋翼開孔槳尖技術的流動控制機理,并在此基礎上研究了開孔參數(shù)對槳尖渦耗散效果的影響,研究結果表明:開孔的直徑及數(shù)量對槳尖渦耗散減弱效果有明顯的影響,在實際應用時需要根據(jù)旋翼的型號及飛行狀態(tài)對開孔參數(shù)進行優(yōu)化設計。論文的研究結果可為旋翼開孔槳尖技術的研究與工程應用提供理論基礎與技術參考。
【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V275.1

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本文編號：1184093