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1、懸停狀態(tài)傾轉(zhuǎn)翼機翼干擾流場及氣動力CFD計算 在實際運用的數(shù)值模擬方法中，國內(nèi)外均開展了一些卓有成效的工作[5-10]。Wagner[5]采用渦流方法模擬了旋翼/機翼氣動特性，著重分析了旋翼對機翼的影響，但未能充分考慮旋翼/機翼之間整體的耦合作用。Tadghighi等[6]使用動量源方法來代表旋翼對流場的影響，初步研究了因傾轉(zhuǎn)旋翼和機翼氣動干擾而產(chǎn)生的"噴泉效應(yīng)";現(xiàn)象，滿足了一定的工程應(yīng)用，但未能定量給出氣動干擾的程度；國內(nèi)方面，也已取得了一定的進展：李春華、徐愷[8-10]等分別使用渦方法和動量源方法較早開展了研究，得出了一些有意義的結(jié)論。盡管渦方法和動量源方法有著計算效率高且具

2、有一定分析精度的特點，但傾轉(zhuǎn)旋翼有著的小展弦比（三維繞流特性強）和較大扭轉(zhuǎn)角（氣流分離明顯）等特征，此時粘性有著顯著的影響，基于勢流假設(shè)的渦流方法和經(jīng)過簡化的動量源方法無法捕捉傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼附近的流動細節(jié)。相比之下，貼體網(wǎng)格上采用N-S方程作為主控方程，可較充分考慮氣流粘性影響，并能精確地捕捉到旋翼槳葉之間及旋翼/機翼之間的非定常干擾流場特性，這對進一步開展該型飛行器的氣動干擾流動特性的分析具有重要作用。 對于完全CFD方法用于傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼流場的研究，國外公開發(fā)表的文獻較少，主要有Meakin[11]、Potsdam[12]和Upender[13]等使用基于結(jié)構(gòu)運動嵌套網(wǎng)格的CF

3、D方法較好分析了懸停狀態(tài)下的機翼氣動力和傾轉(zhuǎn)旋翼與機翼的干擾流場特性。但研究多集中在傾轉(zhuǎn)旋翼流場特性的分析上面，關(guān)于旋翼/機翼干擾氣動力及整體氣動性能方面的研究開展較少。國內(nèi)截至目前為止，公開發(fā)表的文獻還沒有針對傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼干擾流場及氣動力采用完全CFD方法進行分析研究。由于傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼干擾流場的特殊性，使得完全CFD方法的運用遇到如下幾個挑戰(zhàn)性的難題：(1)大負(fù)扭轉(zhuǎn)傾轉(zhuǎn)旋翼與機翼之間的干擾流場三維網(wǎng)格生成難度大；(2)傾轉(zhuǎn)旋翼大負(fù)扭轉(zhuǎn)引起的氣流分離及傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼間的非定常氣動特性模擬精度問題；(3)準(zhǔn)確捕捉傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼間干擾的非定常氣動特性計算效率問題等。 針對上述這些問

4、題，在課題組先前積累的旋翼非定常流場研究基礎(chǔ)上[14-16]，首先采用了一種結(jié)合并行技術(shù)的多層嵌套網(wǎng)格方法，以雷諾平均N-S方程為控制方程并采用了能很好模擬氣流分離的S-A湍流模型；過渡/背景網(wǎng)格使用Euler方程作為控制方程來減少尾渦的耗散和提高計算效率。針對干擾流場的非定常特性模擬的問題，選用了雙時間方法來進行時間推進。在方法研究基礎(chǔ)上，開展了懸停狀態(tài)下孤立旋翼和傾轉(zhuǎn)旋翼/機翼氣動特性的對比分析研究，獲得了一些對高性能傾轉(zhuǎn)旋翼機氣動設(shè)計有指導(dǎo)價值的結(jié)論。 多層運動嵌套網(wǎng)格生成方法 1.網(wǎng)格系統(tǒng)構(gòu)成 在網(wǎng)格系統(tǒng)的建立方面，針對單塊網(wǎng)格很難同時滿足運動旋翼和

5、靜止機翼兩種狀態(tài)，本文采用了運動嵌套網(wǎng)格方法。此外，為了能更加準(zhǔn)確的模擬出旋翼/機翼流場干擾細節(jié)并提高網(wǎng)格間的插值精度，本文在機翼上方的旋翼周圍引入了過渡網(wǎng)格，從而建立一套多層嵌套的網(wǎng)格系統(tǒng)。在一定程度上減少了直接加密背景網(wǎng)格可能帶來的計算量問題。整套網(wǎng)格由四部分組成：一是圍繞旋翼的C-O型網(wǎng)格，傾轉(zhuǎn)旋翼根部扭轉(zhuǎn)較大且采用的為厚翼型，為了保證網(wǎng)格的正交性，本文在槳葉展向網(wǎng)格分布時充分慮了槳葉厚度和扭轉(zhuǎn)角的變化，對剖面網(wǎng)格進行了合理的光順作用。為了更好地模擬粘性效應(yīng)，網(wǎng)格點在槳葉前緣、后緣以及槳尖處進行了加密，其中槳葉法向第一層網(wǎng)格距槳葉表面的距離為1.0×10-5c（槳葉弦長），該

6、網(wǎng)格隨旋翼一起運動。二是繞機翼的C-O型網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸類似槳葉設(shè)置，但在靠近對稱面的地方進行了閉合處理，以方便于對稱邊界條件的實施；三是旋翼網(wǎng)格嵌套所處的靜止過渡網(wǎng)格，為了能準(zhǔn)確模擬出干擾流場的特性和槳尖渦的空間運動，該處的網(wǎng)格間距采用均勻尺寸為（0.1c）；四為背景網(wǎng)格，此處采用均勻0.2c尺寸的間距，兼顧了計算效率和插值精度。整套網(wǎng)格系統(tǒng)如圖1所示。 2.多層運動嵌套方法 由于本文采用了新型的多層嵌套網(wǎng)格系統(tǒng)，傳統(tǒng)的嵌套方法已經(jīng)很難滿足，故在結(jié)合并行技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用改進的"透視圖";法[16]來確定洞點和洞邊界，并使用伴隨槳葉的InverseMap方法進行洞邊界單

7、元的搜尋，發(fā)展了一套多層運動嵌套網(wǎng)格方法。"透視圖法";的基本原理是遍歷部件的表面網(wǎng)格點，并計算其在所處嵌套網(wǎng)格中對應(yīng)的單元序號，然后通過該單元序號在背景網(wǎng)格上重現(xiàn)其對應(yīng)的槳葉形狀。針對本文中所用的過渡/背景嵌套網(wǎng)格為規(guī)則的笛卡爾網(wǎng)格的特點，對槳葉/機翼/過渡網(wǎng)格表面網(wǎng)格點在嵌套網(wǎng)格中查找方法進行了改進：對洞點的搜尋可以簡化成三個方向上的一維搜索，并在可能出現(xiàn)不封閉洞點的位置處對挖洞單元表面進行了自適應(yīng)加密，進而減少了內(nèi)存的使用和消除了不連續(xù)洞點的產(chǎn)生。在進行傾轉(zhuǎn)旋翼的洞邊界單元所對應(yīng)的貢獻單元的搜索時，根據(jù)部件表面網(wǎng)格分布特性對InverseMap分辨率進行優(yōu)化，提高了效率。運用上述方法將傾

8、轉(zhuǎn)旋翼嵌套在過渡網(wǎng)格中作為第一層嵌套，過渡網(wǎng)格嵌套在背景網(wǎng)格中作為第二層嵌套，機翼與過渡/背景網(wǎng)格作為第三層嵌套。結(jié)合并行技術(shù)，將計算網(wǎng)格分配到不同計算節(jié)點，各計算節(jié)點根據(jù)網(wǎng)格類型獨立同時進行嵌套，成功實現(xiàn)了嵌套方法的并行執(zhí)行。運動嵌套中的洞邊界單元對應(yīng)的貢獻單元如圖2所示。 數(shù)值模擬方法 1.控制方程 本文將坐標(biāo)建立在固定坐標(biāo)系下，采用以絕對物理量為參數(shù)的守恒的積分形式的可壓N-S方程作為主控方程（略）：式中，為控制體單元體積，Ω為單元面積，n表示單元表面法矢量，t為時間，k、T分別為熱傳導(dǎo)系數(shù)和絕對溫度。rV表示相對速度，tV表示控制體邊界的

9、運動速度，E和H分別為總能和總焓。為粘性系數(shù)，表示為lt。 2.湍流模型 由于傾轉(zhuǎn)旋翼槳葉扭轉(zhuǎn)較大，在運動中有著明顯的分離及再附著等復(fù)雜流動現(xiàn)象，常用的B-L代數(shù)模型很難勝任，這里采用了能較好捕捉氣流分離的一方程Spalart-Allmaras[17]湍流模型。與代數(shù)湍流模型相比，S-A模型是依據(jù)經(jīng)驗、量綱分析、對分子粘性的選擇性依賴得到渦粘性系數(shù)的輸運方程。該模型既不需要分成內(nèi)外層模式、壁面模式和尾流模式，又不需要推導(dǎo)渦粘性系數(shù)的精確的輸運方程，而是采用近似的輸運方程，下面給出了忽略轉(zhuǎn)捩相關(guān)項的無量綱形式后的S-A湍流模型輸運方程（略） 3.方程離散