傾轉旋翼機非定常氣動特性分析及氣動設計研究.pdf

1、傾轉旋翼機作為一種獨特的飛行器，同時擁有直升機的垂直起降和螺旋槳飛機的高速巡航能力。但是在結合了直升機與固定翼飛行器優(yōu)點的同時，也引入了相對于單一直升機飛行模式與飛機飛行模式更為復雜的氣動問題，例如巡航和懸停狀態(tài)之間轉換的關鍵過渡飛行狀態(tài)下傾轉旋翼非定常流場和氣動特性、滿足多工作模式要求的傾轉旋翼氣動設計、復雜的傾轉旋翼機氣動干擾等。因此，深入開展傾轉旋翼機非定常氣動特性分析及氣動設計研究對提高傾轉旋翼機氣動性能具有重要的學術和工程應用

2、價值。本文基于新型運動嵌套網格系統(tǒng)，開展了傾轉旋翼機的高效、高精度CFD方法研究，并應用建立的數值模擬方法分別針對傾轉旋翼氣動設計、過渡飛行狀態(tài)下傾轉旋翼氣動特性、傾轉旋翼/機身氣動干擾開展了深入分析研究，并進行了傾轉旋翼機槳尖渦流動機理以及旋翼/機翼氣動干擾特性的初步試驗研究。主要研究工作包括以下幾個方面：
　　作為前提和背景，首先闡述了論文的研究目的及意義，概述了傾轉旋翼/螺旋槳氣動設計、傾轉旋翼過渡狀態(tài)、傾轉旋翼/機身氣動干

3、擾等的國內外研究現狀，指出了現有研究中存在的不足，并相應的提出了本文擬采用的研究方法及內容。
　　在第二章，針對不同飛行狀態(tài)的復雜傾轉旋翼機構型和傾轉旋翼的運動特性，基于三維Poisson方程，分別建立了適用于槳葉氣動外形優(yōu)化分析以及傾轉旋翼機干擾分析的運動嵌套網格生成方法，并提出了多層運動嵌套網格系統(tǒng)。為了提高傾轉旋翼運動嵌套網格方法中洞邊界生成和貢獻單元搜尋的效率，提出了“逆向邊界（Reverse Boundary）”挖洞方法

4、和“局部索引（Local Inverse Map）”貢獻單元搜尋方法。與此同時，基于“多向投影”挖洞技術，提出了適合傾轉旋翼機干擾分析的高效組合嵌套網格方法。經數值算例驗證了提出的網格生成方法和運動嵌套網格方法的有效性。
　　在建立的網格生成方法基礎上，第三章構建了適用于不同飛行狀態(tài)下的傾轉旋翼及傾轉旋翼機的非定常流場數值模擬方法。將Navier-Stokes方程作為流場分析的控制方程，空間離散采用Jameson中心差分格式，湍流

5、模型選取了一方程S-A模型，非定常時間推進采用了雙時間方法，偽時間迭代為隱式無矩陣存儲LU-SGS格式。針對傾轉旋翼氣動特性、傾轉旋翼設計、傾轉旋翼機干擾特性等研究過程中對分析方法精度和效率要求的差異性，分別提出并建立了適用于傾轉旋翼模擬的RBM、SRMS、HBM方法。為了克服傳統(tǒng)動量源方法過多簡化槳葉氣動外形以及對槳葉流場離散效應模擬方面存在的不足，提出了一種非定常動量源（BFMS）方法。為提高傾轉旋翼機復雜流場模擬的計算效率，針對不

6、同的計算規(guī)模分別發(fā)展了基于共享存儲式內存OpenMP技術和分布式存儲MPI技術的并行加速方法。通過翼型、機翼、旋翼、飛行器等不同流場算例計算，驗證了建立的數值模擬方法的有效性，為進一步開展傾轉旋翼機氣動問題的研究奠定了分析方法基礎。
　　鑒于傾轉旋翼懸停工作模式和巡航工作模式對其氣動外形設計存在的設計矛盾問題，在第四章提出并建立了一個高效的傾轉旋翼/螺旋槳槳葉的“分層優(yōu)化設計”方法。其中，運用高效的動量—葉素理論開展槳葉的初步設計

7、，并通過將基于置換遺傳算法優(yōu)化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和徑向基函數(RHF)的代理模型優(yōu)化方法引入槳葉外形的優(yōu)化設計，降低了設計的計算代價。基于動量理論和葉素理論，建立了適用于設計狀態(tài)配平的操縱量預測方法，考慮直升機旋翼和螺旋槳的性能評價指標特點，給出了傾轉旋翼的綜合氣動性能指標。然后，基于建立的優(yōu)化設計方法開展了不同槳葉構型（扭轉、弦長、前后掠、三維槳尖）對傾轉旋翼氣動性能影響規(guī)律的分析。隨后，嘗試分析了不同轉速、直徑

8、對傾轉旋翼氣動特性的影響特性，提出了保留槳葉尖部高升力翼型的變直徑構型能進一步提高傾轉旋翼的巡航氣動性能。在此基礎上，開展了滿足懸停性能和高速巡航飛行要求的傾轉旋翼氣動設計，得到了一類具有典型特征的高性能傾轉旋翼氣動布局優(yōu)化方案。
　　為了探索過渡飛行狀態(tài)下傾轉旋翼的非定常氣動特性及旋翼/機翼氣動力的匹配關系，第五章通過耦合BEMT、SRMS、RBM氣動模型和Newton迭代方法建立了能用于傾轉旋翼過渡飛行特性分析的氣動力匹配方法

9、。然后，基于多層運動嵌套網格方法，采用SRMS和RBM方法分別開展了過渡狀態(tài)下傾轉旋翼非定常流動機理的數值模擬研究。接著，采用建立的傾轉旋翼/機翼配平分析方法，研究了連續(xù)過渡過程中的傾轉旋翼/機翼氣動力匹配準則。最后，對傾轉旋翼/機翼的過渡飛行特性進行了計算分析，并初步揭示了過渡飛行中傾轉旋翼非定常流場的渦流動特性。
　　在第六章，針對懸停狀態(tài)下的傾轉旋翼機氣動干擾問題，分析了不同旋翼/機翼間距、機翼迎角、前掠、變機翼構型對氣動干

10、擾特性的影響，模擬了傾轉旋翼機特有的“噴泉效應”，獲得了相應的參數影響規(guī)律。在此基礎上，分別開展了不同變機翼構型和襟翼角（被動降載）、定常射流（主動降載）、綜合降載措施、動態(tài)機翼對氣動干擾的優(yōu)化效果的對比分析，并通過三維全尺寸模擬驗證了降載措施的實際降載效果，發(fā)現PFC和AFC方法能夠較好的降低懸停下的旋翼/機翼氣動干擾，綜合降載控制方法相對于單一的被動降載方式具有明顯的降載優(yōu)勢，動態(tài)機翼構型在降載方面有較大的潛力。
　　針對傾轉

11、旋翼機旋翼/機身之間存在的復雜氣動干擾特性，在第七章開展了初步試驗與數值研究。首先，基于PIV技術測量了不同總距時旋翼/機身干擾流場，揭示了傾轉旋翼機的典型“噴泉效應”現象，并分析了旋翼/機翼間的氣動干擾形成機理。然后，結合建立的數值模擬方法綜合分析了旋翼與機翼垂直間距變化對傾轉旋翼流場及氣動力的影響特性。接著，測量并分析了不同旋翼/機翼間的垂直間距和水平間距對旋翼/機翼干擾氣動特性的影響，結果表明垂直間距和水平間距的變化會對旋翼/機翼