地面效應(yīng)中懸停旋翼的自由尾跡計(jì)算

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauljcaSinicaDec．252012V01．33No．122161．2170ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduCRhkxb@buaaedu．cn文章編號(hào)：1000—6893(2012)122161—10地面效應(yīng)中懸停旋翼的自由尾跡計(jì)算辛冀，李攀，陳仁良*南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行數(shù)值模擬。其中使用直渦元對槳尖渦絲進(jìn)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(shí)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(xiàng)修改辦法來改善計(jì)算模型的收斂性，同時(shí)這些改進(jìn)也起到了削減計(jì)算量的作用。為了對新構(gòu)建模型進(jìn)行驗(yàn)證，以多個(gè)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(jìn)行了計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示二者符合得較好，證實(shí)了該模型具有較高的準(zhǔn)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(hào)：V211．52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A在直升機(jī)近地懸停時(shí)，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(yuǎn)離地面時(shí)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(jī)、高原直升機(jī)，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(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。有關(guān)地面效應(yīng)的研究一直是直升機(jī)界關(guān)注的熱點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)方面[1‘4]，主要是通過煙流技術(shù)、寬場流動(dòng)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(jìn)行測量，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到IGE狀態(tài)下的旋翼性能計(jì)算公式。理論計(jì)算方面，早期的研究如文獻(xiàn)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(jì)算機(jī)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(jì)算流體力學(xué)(CFD)和自由尾跡兩種計(jì)算方法。最初的CFD模型用動(dòng)量源模擬旋翼的作用對流場進(jìn)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(xì)致劃分后進(jìn)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(yuǎn)場渦線捕捉不夠準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)，避免了上述問題，且計(jì)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(xiàn)。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(shí)尾跡渦線容易進(jìn)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(shí)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(jì)算．航空學(xué)報(bào)．2012．33(12)：21612170．航空學(xué)報(bào)Dec．252012VoI．33No，12真”，進(jìn)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(jì)算效率。為此，本文根據(jù)離散

7、渦方法的特點(diǎn)，在尾跡模型和地面面元模型中加入了多項(xiàng)改進(jìn)措施，并分別進(jìn)行了計(jì)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(jìn)行了計(jì)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(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對比。同時(shí)討論了IGE狀態(tài)下旋翼尾跡渦線的運(yùn)動(dòng)方式隨高度的變化情況，計(jì)算結(jié)果表明，旋翼高度較低時(shí)，近地尾跡渦線在徑向上擴(kuò)張很大，在軸向上則是降至一定高度