地面效應(yīng)中垂直起降狀態(tài)旋翼的氣動(dòng)特性計(jì)算

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1、第46卷第3期2014年6月南京航JournalofNanjing空航天大學(xué)UniversityofAeronautics學(xué)8乙A報(bào)StronaUtlcS地面效應(yīng)中垂直起降狀態(tài)旋翼的氣動(dòng)特性計(jì)算辛冀陳仁良李攀(南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210016)V01.46No.3Jun.2014摘要:基于時(shí)間步進(jìn)自由尾跡和地面面元模型,構(gòu)建了一種新的非定??諝鈩?dòng)力學(xué)模型,用于計(jì)算有地效垂直飛行狀態(tài)下的旋翼氣動(dòng)性能。為提高瞬態(tài)尾跡結(jié)構(gòu)的求解穩(wěn)定性和計(jì)算速度,本文使用了精度階數(shù)更高的顯式CB

2、3D格式。計(jì)算證實(shí),該格式能有效控制地面干擾所產(chǎn)生的數(shù)值誤差,得到的尾跡結(jié)構(gòu)也更符合物理實(shí)際。同時(shí)引入一種適用于非定常狀態(tài)的“等體積修正”方法,以對(duì)計(jì)算中容易出現(xiàn)的渦線落入地面下方的非物理現(xiàn)象進(jìn)行修正。在有地效狀態(tài)下,將新構(gòu)建模型的計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)而計(jì)算了平面與斜面上有地效垂直起降狀態(tài)下旋翼氣動(dòng)特性的變化特點(diǎn),分析了其影響因素。關(guān)鍵詞:旋翼;地面效應(yīng);自由尾跡;非定常飛行;垂直起降中圖分類號(hào):V211.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1005—2615(2014)03一043

3、3—10AerodynamicsCharacteristicsPredictionforAxialFlyingRotorinGroundEffectXi咒Ji,C^e挖RP咒Zin咒g,LiPn行(NationalKeyLaboratoryofRotorcraftAeromechanics,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing,210016,China)Abstract:Anewtransientaer。dynamicsmodelisfoun

4、dedbasedontime—steppingfree—wakeandgroundpanelmodelsforrotorperformancepredictioninaxiaIflyingconditioningroundeffect.A3rd—orderCB3Dschemeisusedtoimprovethecalculationstabilityandefficiencyofwakegeometry.Thepredic—tionrevealsthatCB3Dschemecaninhibitthenume

5、ricalerrorscausedbygroundeffectivelyandgetamoretruthfulwakegeometry.A”constantvolumerectification”methodisalsoincorporatedintothemodeltorectifythewakevorticesfallingbelowthegroundunphysicallyintransientstate.Thepredictedresultofthenewmodeliscomparedwithexp

6、erimentaldatatovalidateitsaccuracy.Thentheaerody—namicscharacteristicsofrotorinaxialflyingnearflatorinclinedgrounda士eanalyzed.Keywords:rotor;groundeffect;free—wake;unsteadyfhght;axialtaking—offandlanding當(dāng)直升機(jī)旋翼的離地高度小于1倍旋翼直徑時(shí),旋翼流場(chǎng)和旋翼性能隨飛行速度、高度的變化方式跟遠(yuǎn)離地面時(shí)相比有很

7、大差別,稱之為地面效應(yīng)(Ingroundeffect,IGE)。地面效應(yīng)中的近地起降是直升機(jī)介于地面停駐和空中飛行之間的重要飛行狀態(tài),需要進(jìn)行專門研究。對(duì)于旋翼IGE狀態(tài),國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了較多的理論和試驗(yàn)研究。早期的研究往往根據(jù)飛行數(shù)據(jù)[1]或固定尾跡模型[z1推導(dǎo)懸停旋翼性能與高度的關(guān)系式;隨著計(jì)算機(jī)性能的加強(qiáng),一些學(xué)者開始使用CFD模型計(jì)算旋翼流場(chǎng)[3q]。但受限于CFD固有的遠(yuǎn)場(chǎng)渦量數(shù)值耗散和較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間,用基金項(xiàng)目:江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXLXl2一0166)資助項(xiàng)目;國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

8、室基金資助項(xiàng)目;江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目。收稿日期:2013—12—24;修訂日期:2014一03一07通信作者:陳仁良,男,教授,博士生導(dǎo)師,E—mail:crlae@nuaa.edu.cn。434南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)第46卷CFD方法求解復(fù)雜的IGE狀態(tài)旋翼流場(chǎng)還不成熟。自由尾跡方法以離散渦描述旋翼流場(chǎng),各渦元可隨流場(chǎng)當(dāng)?shù)厮俣茸杂蛇\(yùn)動(dòng),相比于CFD方法其計(jì)算量大大減小且不會(huì)發(fā)生渦量的數(shù)值耗散問(wèn)題。文

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