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《地面效應(yīng)中懸停旋翼的自由尾跡計算》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、航空學(xué)報ActaAeronauticaetAstronauljcaSinicaDec．252012V01．33No．122161．2170ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduCRhkxb@buaaedu．cn文章編號：1000—6893(2012)122161—10地面效應(yīng)中懸停旋翼的自由尾跡計算辛冀，李攀，陳仁良*南京航空航天大學(xué)直升機旋翼動力學(xué)國家級重點實驗室，江蘇南京210016摘要：發(fā)展了一種具有良好收斂性的自由尾跡模型，用于對地面效應(yīng)(IGE)狀態(tài)下的旋翼懸停尾跡進行數(shù)值模擬。其中使用直渦元對槳尖渦絲進行離散，使用面元法模擬地面
2、對流場的影響。針對以往類似研究中旋翼高度較低時自由尾跡迭代不易收斂的問題，引入了地下尾跡等比例修正并提出了環(huán)式地面面元分布等多項修改辦法來改善計算模型的收斂性，同時這些改進也起到了削減計算量的作用。為了對新構(gòu)建模型進行驗證，以多個高度下的旋翼有地效狀態(tài)為算例，對其尾跡幾何結(jié)構(gòu)進行了計算并與實驗值進行了對比，結(jié)果顯示二者符合得較好，證實了該模型具有較高的準確性。關(guān)鍵詞：旋翼；自由尾跡；地面效應(yīng)；面元法；迭代收斂性中圖分類號：V211．52文獻標識碼：A在直升機近地懸停時，地面的干擾使旋翼槳轂平面內(nèi)的氣流軸向合速度有所減小，導(dǎo)致在相同的需用功率下，旋翼的拉力較遠離地面時有所增加，這種現(xiàn)象稱為地
3、面效應(yīng)(InGroundEffect，IGE)。對于起重型直升機、高原直升機，利用地面效應(yīng)近地懸停是提高旋翼性能的主要飛行模式。因此，IGE狀態(tài)下旋翼流場的建模研究對于直升機設(shè)計具有重要意義。有關(guān)地面效應(yīng)的研究一直是直升機界關(guān)注的熱點。在實驗方面[1‘4]，主要是通過煙流技術(shù)、寬場流動顯示技術(shù)和粒子圖像測速(PIV)技術(shù)對旋翼尾跡渦線的幾何結(jié)構(gòu)進行測量，并對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到IGE狀態(tài)下的旋翼性能計算公式。理論計算方面，早期的研究如文獻E5]采用固定渦系模型求解IGE狀態(tài)下的旋翼近地尾跡特性。近二十年來，隨著計算機性能的提高，對IGE狀態(tài)下旋翼流場的建模求解能力也有了質(zhì)的飛躍，目前這方面
4、主要有計算流體力學(xué)(CFD)和自由尾跡兩種計算方法。最初的CFD模型用動量源模擬旋翼的作用對流場進行求解[6]，之后使用結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)嵌套網(wǎng)格對槳葉附近空間作細致劃分后進行流場求解[7]。盡管近年來旋翼CFD方法得到了很大發(fā)展，但是受限于固有的數(shù)值耗散，這一方法對旋翼流場中渦量特別是地面附近的遠場渦線捕捉不夠準確，用于旋翼IGE狀態(tài)求解尚不成熟。自由尾跡模型以拉格朗El法描述流場，可以追蹤渦線上離散渦元的運動，避免了上述問題，且計算效率較高。IGE狀態(tài)下的自由尾跡模型多采用鏡像法模擬地面的作用哺。1?。Itoga等口嵋和Griffiths等[12。1胡則通過在地面布置渦板來模擬地面對旋翼流場
5、的影響。國內(nèi)則尚未見到類似的以表面奇性方法模擬地面干擾作用的相關(guān)文獻。相比于鏡像法，使用奇性位勢單元對地面建模具有更大的靈活性。綜上所述可知，在近年來的旋翼IGE自由尾跡建模中地面面元法已被多次采用。但已有的研究反映出這種建模方法中存在小高度時尾跡渦線容易進入地面下方、尾跡形狀容易出現(xiàn)“噪聲失收稿日期：2012-01—04；退修日期：2012—03·02；錄用日期：2012—04-01；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2012—04-2716：03網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20120427．1603．004html*通訊作者．Tel．：025-848
6、9214lE—mail：crlae@nuaa．eduCR}l尾磐武tX／nJ，LiP。ChenRL．Free-wakeanalysisofhoveringrotoringroundeffect，ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，33(12)：21612170．辛冀。李攀．睬仁良，地面效應(yīng)中懸停旋翼的自由尾跡計算．航空學(xué)報．2012．33(12)：21612170．航空學(xué)報Dec．252012VoI．33No，12真”，進而導(dǎo)致尾跡不易收斂等問題u}13]，且每步迭代中都要通過求解高維線性方程組來更新渦板環(huán)量，降低了計算效率。為此，本文根據(jù)離散
7、渦方法的特點，在尾跡模型和地面面元模型中加入了多項改進措施，并分別進行了計算分析。為考察修改后模型的通用性，本文對旋翼位置處于0．32R、0．52R、0．84R和10．OR(R為旋翼半徑)4種高度的情況進行了計算，得到各種高度下旋翼尾跡的徑向和軸向位移并分別與實驗值進行了對比。同時討論了IGE狀態(tài)下旋翼尾跡渦線的運動方式隨高度的變化情況，計算結(jié)果表明，旋翼高度較低時，近地尾跡渦線在徑向上擴張很大，在軸向上則是降至一定高度
