微小型旋翼懸停流場(chǎng)的數(shù)值研究.pdf

1、微型化是目前飛行器的一大發(fā)展趨勢(shì)。微小型旋翼飛行器具有機(jī)動(dòng)性能好，可懸停及自懸下降等獨(dú)特性能，在軍事及民用方面都有潛在的應(yīng)用前景，因此，在過去的幾年里得到了廣泛關(guān)注。由于飛行雷諾數(shù)低及槳葉的高速旋轉(zhuǎn)等因素，微小型旋翼的流場(chǎng)體現(xiàn)出分離流動(dòng)、尾跡渦、槳渦干擾等許多復(fù)雜特征，目前研究尚處于起步階段。本文在總結(jié)旋翼研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，采用CFD方法對(duì)微小型旋翼的懸停流場(chǎng)進(jìn)行了研究。 研究?jī)?nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1．為了有效地

2、描述旋翼的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，合理地生成旋翼系統(tǒng)的計(jì)算網(wǎng)格，本文研究并應(yīng)用了嵌套網(wǎng)格技術(shù)。在研究過程中，對(duì)槳葉生成高質(zhì)量的C型網(wǎng)格，來模擬物面附近的粘性流動(dòng)及捕捉近場(chǎng)尾渦，同時(shí)，針對(duì)懸停流場(chǎng)的圓柱特征，采用近似柱型的背景網(wǎng)格來捕捉遠(yuǎn)場(chǎng)尾渦，槳葉網(wǎng)格與背景網(wǎng)格間通過三線性插值來進(jìn)行流場(chǎng)信息的交換。 2．為了減小采用CFD方法來研究旋翼流場(chǎng)時(shí)對(duì)計(jì)算量的要求，在充分考慮懸停流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文采用如下的計(jì)算策略：1)考慮在遠(yuǎn)離槳葉的流場(chǎng)，

3、流動(dòng)近似無粘，因此在槳葉網(wǎng)格上采用雷諾輸運(yùn)的Navier-Stokes方程作為控制方程，而在背景網(wǎng)格上采用Euler方程作為控制方程，從而在很大程度上減少計(jì)算量；2)本文選取固連于旋翼的非慣性旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，并對(duì)旋翼在該坐標(biāo)系下的控制方程進(jìn)行了嚴(yán)格推導(dǎo)，在該坐標(biāo)系下來觀察流體的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，懸停流場(chǎng)實(shí)際是定常流場(chǎng)，計(jì)算簡(jiǎn)便許多；3)由于懸停流場(chǎng)具有對(duì)稱性，針對(duì)二槳葉的旋翼系統(tǒng)，計(jì)算在一個(gè)槳葉上進(jìn)行，通過在背景網(wǎng)格上實(shí)施對(duì)稱條件來達(dá)到對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的

4、模擬。 3．考慮懸停流場(chǎng)中槳盤下方尾跡渦的完全卷起大多屬無拈流動(dòng)，而且目前許多尾跡模型存在缺陷，在本文的計(jì)算中，借用Riemann不變量來處理遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，并對(duì)其進(jìn)行合理修正，尾渦系統(tǒng)作為解的一部分而存在，而沒有采用任何尾跡模型。 4．在具體求解過程中，采用中心有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行空間離散，在時(shí)間方向應(yīng)用五步混合Runge-Kutta格式進(jìn)行積分，同時(shí)，采用當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長(zhǎng)及隱式殘值光順等措施來加速計(jì)算過程的收斂。