本文關(guān)鍵詞：直升機(jī)旋翼非定常動態(tài)失速的CFD模擬及其主動流動控制研究

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【摘要】：直升機(jī)旋翼動態(tài)失速現(xiàn)象對旋翼氣動特性及振動特性等有重要影響,從而限制著直升機(jī)的飛行包線、機(jī)動飛行性能和振動水平。揭示動態(tài)失速對旋翼非定常流場及氣動特性的影響機(jī)理,抑制旋翼動態(tài)失速的不利影響,進(jìn)而提高旋翼氣動性能的研究一直是直升機(jī)空氣動力學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本文基于新型旋翼運(yùn)動嵌套網(wǎng)格生成方法,開展了旋翼非定常流場求解的高效、高精度CFD方法研究,并著重對旋翼非定常動態(tài)失速現(xiàn)象展開數(shù)值模擬與機(jī)理分析;在此基礎(chǔ)上,開展了合成射流方法、動態(tài)下垂前緣方法以及二者結(jié)合的新型組合控制策略對旋翼及翼型動態(tài)失速特性影響規(guī)律的數(shù)值分析,并進(jìn)行合成射流控制翼型失速特性的試驗(yàn)研究。主要研究工作包括以下幾個方面:作為前提和背景,本文首先闡述了旋翼CFD方法、動態(tài)失速分析以及旋翼主動流動控制方法研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀,指出了開展旋翼動態(tài)失速特性數(shù)值研究及其主動流動控制機(jī)理分析的重要性,提出了目前研究中仍存在的問題及本文相應(yīng)的研究方法�？紤]到旋翼槳葉氣動外形組成的復(fù)雜特點(diǎn),基于Poisson方程求解方法,在論文第二章建立了一套高效、通用的旋翼網(wǎng)格參數(shù)化生成方法,并結(jié)合笛卡爾背景網(wǎng)格組成旋翼運(yùn)動嵌套網(wǎng)格系統(tǒng);針對嵌套網(wǎng)格方法中關(guān)鍵的洞單元識別及貢獻(xiàn)單元搜索問題,分別建立了通用性好的“擾動衍射法”(DDM)和高效的“最小距離法”(MDSDE)。在第三章,基于可壓N-S方程,建立旋翼非定常流場數(shù)值分析的高效、高精度CFD方法。為降低非物理數(shù)值耗散,分別采用Roe格式和AUSM類格式對無粘通量進(jìn)行離散;為模擬非定常特性,采用了雙時間方法,其中偽時間迭代采用隱式無矩陣存儲的LU-SGS方法;針對旋翼流場中可壓流動與不可壓流動并存的特點(diǎn),發(fā)展了相應(yīng)的低速預(yù)處理方法;為進(jìn)一步提高計(jì)算效率,發(fā)展基于Open-MP技術(shù)的并行算法和聚合式多重網(wǎng)格方法。分別采用一方程S-A模型及兩方程k-ωSST模型以有效模擬旋翼后行槳葉的大范圍氣流分離現(xiàn)象。通過系統(tǒng)的算例驗(yàn)證,表明建立的CFD方法在捕捉旋翼渦流動和氣動特性等方面具有高效、高精度的特點(diǎn),為下一步開展旋翼動態(tài)失速及其主動流動控制分析奠定了基礎(chǔ)。運(yùn)用建立的CFD方法,第四章分析了旋翼翼型動態(tài)失速過程中動態(tài)失速渦的形成和對流過程,并開展脫體渦對翼型氣動特性影響的數(shù)值分析;開展了旋翼翼型動態(tài)失速特性的參數(shù)(減縮頻率、基準(zhǔn)迎角和迎角變化幅值)影響規(guī)律研究;然后,著重分析了前飛狀態(tài)三維效應(yīng)影響下旋翼動態(tài)失速中的氣流分離、動態(tài)失速渦運(yùn)動特點(diǎn)及旋翼氣動特性,并與對應(yīng)二維翼型情況進(jìn)行對比,分析了旋翼槳葉上軸向誘導(dǎo)速度以及槳葉展向流動特性對旋翼氣動特性的影響,并進(jìn)一步獲得了前飛速度對旋翼非定常氣動特性的影響特性。在第五章,基于合成射流激勵器出口的非定常吹/吸氣速度假定,結(jié)合旋翼及翼型的來流條件及運(yùn)動特性,建立適合于旋翼及翼型主動流動控制分析的射流控制方程。首先,針對單純合成射流及射流/主流干擾的流場特性進(jìn)行分析,同時以TAU0015翼型及VR-7B翼型為數(shù)值算例,驗(yàn)證了分析方法的有效性。然后,分析了合成射流動量系數(shù)、偏角、位置及激勵頻率對翼型靜態(tài)、動態(tài)失速特性控制效果的影響,揭示了射流在抑制翼型氣流分離、改善翼型動態(tài)失速特性方面的作用機(jī)理,并解釋了目前在射流參數(shù)分析中存在分歧的原因。進(jìn)一步地,開展了合成射流對旋翼非定常氣動特性控制效果的數(shù)值分析,并獲得了有價值的新結(jié)論,為合成射流在旋翼動態(tài)失速控制中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。在第六章,開展了動態(tài)下垂前緣方法對旋翼翼型動態(tài)失速特性控制效果的分析,獲得了下垂參數(shù)對控制效果的影響規(guī)律;通過翼型動態(tài)失速動態(tài)下垂前緣控制的多目標(biāo)綜合參數(shù)優(yōu)化分析,發(fā)現(xiàn)階段性的前緣上翹更有利于旋翼翼型非定常氣動特性的改善。開展了旋翼動態(tài)失速的動態(tài)下垂前緣控制分析,獲得了動態(tài)下垂前緣改善旋翼氣動特性的參數(shù)影響規(guī)律。隨后,提出將合成射流技術(shù)與動態(tài)下垂前緣相結(jié)合的控制方法,并應(yīng)用于旋翼(翼型)非定常動態(tài)失速的主動流動控制,發(fā)現(xiàn)了該組合控制方法相對于單一流動控制方法的優(yōu)勢。最后,設(shè)計(jì)了旋翼翼型氣流分離合成射流控制的風(fēng)洞試驗(yàn)�；谝硇捅砻媪鲃拥腜IV測速、模型的氣動力測量和邊界層內(nèi)速度型的測定試驗(yàn),系統(tǒng)性地研究了合成射流不同控制參數(shù)對翼型最大升力系數(shù)和失速迎角改善效果的影響,獲得了與數(shù)值模擬相同的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地提出了合成射流對旋翼翼型失速特性控制規(guī)律的定量函數(shù)式。此外,開展了雙射流陣列在進(jìn)一步改善翼型失速特性方面作用的研究,并在陣列間相位差和偏角組合對翼型失速控制效果影響方面發(fā)現(xiàn)了新結(jié)論。
【關(guān)鍵詞】：旋翼 翼型 非定常動態(tài)失速 主動流動控制 合成射流 動態(tài)前緣 組合控制策略 運(yùn)動嵌套網(wǎng)格 Navier-Stokes方程
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V275.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-20
• 第一章 緒論20-34
• 1.1 研究背景20-21
• 1.2 國內(nèi)外研究概況21-30
• 1.2.1 旋翼計(jì)算流體力學(xué)方法的研究進(jìn)展21-24
• 1.2.2 旋翼動態(tài)失速的研究進(jìn)展24-26
• 1.2.3 旋翼主動流動控制方法的研究進(jìn)展26-30
• 1.3 本文的解決方案30-31
• 1.4 本文的主要研究工作31-34
• 第二章 適用于旋翼動態(tài)失速控制分析的網(wǎng)格生成方法34-50
• 2.1 引言34-35
• 2.2 旋翼翼型網(wǎng)格生成方法35-37
• 2.2.1 翼型網(wǎng)格生成控制方程35-36
• 2.2.2 網(wǎng)格質(zhì)量控制的源項(xiàng)修正方法36-37
• 2.2.3 適用于主動流動控制的網(wǎng)格生成策略37
• 2.3 旋翼槳葉網(wǎng)格參數(shù)化生成方法37-39
• 2.4 旋翼運(yùn)動嵌套網(wǎng)格的洞單元識別方法39-44
• 2.4.1 “透視圖”方法40-42
• 2.4.2 新型“擾動衍射”方法42-44
• 2.5 貢獻(xiàn)單元搜索方法44-49
• 2.5.1 改進(jìn)型Inverse-Map方法44-46
• 2.5.2 新型最小距離方法46-49
• 2.6 小結(jié)49-50
• 第三章 高精度的旋翼非定常流場數(shù)值計(jì)算方法50-77
• 3.1 引言50-51
• 3.2 旋翼非定常流場控制方程51-52
• 3.3 高精度空間離散格式52-55
• 3.3.1 空間離散的通量差分分裂格式52-53
• 3.3.2 適用于低速預(yù)處理的新型AUSM類格式53-55
• 3.3.3 高階流場變量重構(gòu)格式55
• 3.4 高效隱式時間推進(jìn)格式55-58
• 3.5 適用于旋翼流動控制分析的湍流模型58-60
• 3.6 邊界條件60-61
• 3.6.1 壁面條件60
• 3.6.2 遠(yuǎn)場條件60-61
• 3.7 新型高效數(shù)值計(jì)算方法61-64
• 3.7.1 低速預(yù)處理方法61-63
• 3.7.2 多重網(wǎng)格方法63-64
• 3.8 旋翼操縱量配平方法64-65
• 3.9 算例驗(yàn)證65-76
• 3.9.1 定常狀態(tài)翼型氣動特性計(jì)算65-66
• 3.9.2 旋翼翼型動態(tài)失速特性分析66-67
• 3.9.3 懸停狀態(tài)旋翼氣動特性分析67-71
• 3.9.4 前飛狀態(tài)旋翼氣動特性分析71-76
• 3.10 小結(jié)76-77
• 第四章 旋翼非定常動態(tài)失速特性分析77-101
• 4.1 引言77-78
• 4.2 旋翼翼型非定常動態(tài)失速特性分析方法驗(yàn)證78-80
• 4.2.1 旋翼SC-1095翼型動態(tài)失速特性算例驗(yàn)證78
• 4.2.2 NACA0012翼型動態(tài)失速特性算例驗(yàn)證78-80
• 4.3 旋翼翼型動態(tài)失速特性的參數(shù)影響規(guī)律分析80-83
• 4.3.1 翼型迎角振幅的影響81
• 4.3.2 翼型減縮頻率的影響81-82
• 4.3.3 翼型平均迎角的影響82-83
• 4.4 Helishape 7AD旋翼動態(tài)失速特性的數(shù)值模擬83-89
• 4.4.1 7AD旋翼非定常氣動載荷模擬83-86
• 4.4.2 7AD旋翼動態(tài)失速特性分析86-89
• 4.5 旋翼非定常動態(tài)失速特性的機(jī)理分析89-99
• 4.5.1 三維效應(yīng)對旋翼動態(tài)失速特性的影響分析89-96
• 4.5.2 前飛速度對旋翼動態(tài)失速特性的影響分析96-99
• 4.6 小結(jié)99-101
• 第五章 旋翼動態(tài)失速合成射流控制的數(shù)值分析101-159
• 5.1 引言101-102
• 5.2 合成射流邊界條件的建立102-104
• 5.2.1 翼型射流邊界條件的設(shè)置102-103
• 5.2.2 振蕩翼型射流邊界條件的設(shè)置103-104
• 5.2.3 旋翼射流邊界條件的設(shè)置104
• 5.3 合成射流流場特性的數(shù)值模擬104-109
• 5.4 合成射流對翼型失速特性的控制研究109-116
• 5.4.1 TAU0015翼型靜態(tài)失速射流控制的驗(yàn)證109-110
• 5.4.2 翼型失速射流控制的機(jī)理110-113
• 5.4.3 翼型合成射流控制的渦流動特性113-114
• 5.4.4 翼型反設(shè)計(jì)分析114-116
• 5.5 翼型靜態(tài)失速射流控制的參數(shù)分析116-123
• 5.5.1 射流激勵頻率的影響117-118
• 5.5.2 射流位置的影響118-119
• 5.5.3 射流動量系數(shù)的影響119-120
• 5.5.4 射流偏角的影響120-122
• 5.5.5 射流陣列控制的影響122-123
• 5.6 合成射流對翼型動態(tài)失速特性控制效果的驗(yàn)證123-126
• 5.7 翼型動態(tài)失速射流控制的參數(shù)分析126-136
• 5.7.1 射流位置的影響分析126-128
• 5.7.2 射流激勵頻率的影響分析128-129
• 5.7.3 射流動量系數(shù)的影響分析129-131
• 5.7.4 射流偏角的影響分析131-133
• 5.7.5 射流形式的影響分析133-134
• 5.7.6 射流陣列控制的影響分析134-136
• 5.8 旋翼非定常氣動特性的合成射流控制分析136-156
• 5.8.1 射流位置的影響分析137-143
• 5.8.2 射流動量系數(shù)的影響分析143-148
• 5.8.3 射流偏角的影響分析148-152
• 5.8.4 射流陣列控制的影響分析152-156
• 5.9 小結(jié)156-159
• 第六章 旋翼動態(tài)失速的綜合控制策略分析159-181
• 6.1 引言159-160
• 6.2 基于動態(tài)前緣的旋翼翼型動態(tài)失速控制分析160-170
• 6.2.1 VR-12翼型的動態(tài)下垂前緣控制分析161-162
• 6.2.2 動態(tài)前緣控制旋翼翼型動態(tài)失速特性的參數(shù)分析162-165
• 6.2.3 動態(tài)前緣控制的參數(shù)優(yōu)化165-170
• 6.3 基于動態(tài)前緣的旋翼動態(tài)失速控制分析170-174
• 6.3.1 動態(tài)前緣偏轉(zhuǎn)幅值的影響分析170-172
• 6.3.2 動態(tài)前緣偏轉(zhuǎn)頻率的影響分析172-174
• 6.4 旋翼動態(tài)失速的組合控制分析174-179
• 6.4.1 旋翼翼型動態(tài)失速的組合策略控制分析175-176
• 6.4.2 旋翼非定常氣動特性的組合策略控制分析176-179
• 6.5 小結(jié)179-181
• 第七章 旋翼翼型失速特性的合成射流控制試驗(yàn)研究181-204
• 7.1 引言181-182
• 7.2 試驗(yàn)方案182-184
• 7.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>182
• 7.2.2 試驗(yàn)設(shè)備182-183
• 7.2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法183-184
• 7.3 基于合成射流的翼型失速特性控制試驗(yàn)184-190
• 7.3.1 合成射流激勵器特性測量184-185
• 7.3.2 翼型失速特性的測量185
• 7.3.3 合成射流對旋翼翼型失速特性控制效果的測量185-190
• 7.4 翼型失速控制的參數(shù)分析190-198
• 7.4.1 射流速度的影響191-192
• 7.4.2 射流偏角的影響192-194
• 7.4.3 射流位置的影響194-195
• 7.4.4 來流速度的影響195-196
• 7.4.5 合成射流參數(shù)影響的定性分析196-198
• 7.5 雙射流陣列間相關(guān)參數(shù)的影響分析198-203
• 7.5.1 射流陣列相位差的影響分析198-201
• 7.5.2 射流陣列偏角組合的影響分析201-203
• 7.6 小結(jié)203-204
• 第八章 研究工作總結(jié)及展望204-211
• 8.1 本文研究工作總結(jié)204-209
• 8.2 本文的創(chuàng)新工作209-210
• 8.3 進(jìn)一步的研究工作及展望210-211
• 參考文獻(xiàn)211-225
• 致謝225-226
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文226-228

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 宋亞平;淺談旋翼的防腐維護(hù)[J];航空維修與工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文編號：757926