18基于CFD方法的电控旋翼气动特性建模与验证.docVIP

第二十八届（2012）全国直升机年会论文 基于CFD方法的电控旋翼气动特性建模与验证 王 超 陆 洋 王 伟 （南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京，210016） 摘 要：首先建立了基于CFD方法的带襟翼翼型定常气动力模型，继而结合电控旋翼动力入流模型以及电控旋翼桨叶挥舞响应与桨叶变距和襟翼操纵量的关系，建立了电控旋翼气动特性分析模型。之后通过与国外试验数据对比，验证带襟翼翼型气动力模型的正确性。最后以改进型电控旋翼试验系统为平台进行了风洞试验，测量了不同操纵条件下的电控旋翼气动力、桨距、襟翼偏角及旋翼挥舞角的变化情况。通过理论计算与试验数据的对比分析，验证了所建立电控旋翼气动特性分析模型的正确性和有效性。 关键词：电控旋翼；后缘襟翼；气动力；风洞试验 1 引言 电控旋翼是美国NASA于本世纪初提出的一种新概念旋翼。近十余年来，国外针对电控旋翼技术开展了广泛的研究。从2002年开始，美国Maryland大学的Chopra，Falls等人[1]对电控旋翼进行较为深入的理论研究，建立了电控旋翼气弹动力学分析模型，研究了襟翼偏转对旋翼性能的影响，验证了后缘襟翼用于旋翼主操纵的可行性。2009年，美国Boeing直升机公司将MD900直升机的旋翼改造为电控旋翼，在NASA的Ames研究中心对该电控旋翼系统进行了风洞吹风试验，评估了电控旋翼的气动特性，经过长达60小时的持续吹风验证了电控旋翼操纵系统的可靠性[2]。2009年，美国Sikorsky直升机公司将S434直升机的旋翼改造成全尺寸电控旋翼，并于2010年在美国全尺寸气动试验中心进行了风洞试验，测试了旋翼气动响应与稳定性，并检验了硬件系统的可靠性[3]。 国内，陆洋等人从2003年开始对电控旋翼技术进行研究，建立了电控旋翼气弹动力学分析模型，研制了专用的电磁作动器和原理性电控旋翼试验系统，并进行了初步的试验研究，验证了电控旋翼用于旋翼主操纵的可行性[4]。此后,夏鹤鸣等人对电控旋翼的研究重点主要集中在桨距控制方法上[5]，未对电控旋翼气动特性开展进一步的研究。然而，建立电控旋翼气动特性分析模型，不仅是电控旋翼设计的需要，也是电控旋翼控制律开发的基础。因此，本文基于CFD方法建立带襟翼翼型的定常气动力模型，并结合电控旋翼动力入流模型和电控旋翼挥舞运动方程，最终建立电控旋翼气动特性分析模型。基于改进型电控旋翼的风洞试验结果，验证模型的正确性和有效性。 2 电控旋翼气动特性建模 2.1 基于CFD的带襟翼翼型气动力模型 对于带襟翼翼型，不考虑压缩性和失速影响时，翼型升力系数可表示为： （1） 其中，为基本翼型零迎角升力系数；为基本翼型升力线斜率；为襟翼偏角对翼型升力的影响系数。 翼型阻力系数可表示为： （2） 其中，为基本翼型零迎角阻力系数；为基本翼型迎角对翼型阻力的影响系数；为襟翼偏角对翼型阻力的影响系数。 决定该经验模型准确性的关键因素是与翼型迎角和襟翼偏角有关的各经验系数。本文利用FLUENT软件对不同迎角、襟翼偏角组合时翼型的外部绕流流场进行数值模拟，根据翼型表面的压力分布情况，获得不同工作状态下翼型的升阻特性，再通过插值及曲线拟合的方法获得式（1）、（2）中的各经验系数，从而建立带襟翼翼型准定常气动力模型。 数值模拟过程分两步完成。 （1）模型创建。首先利用GAMBIT划分翼型周围流场网格，鉴于后缘襟翼的存在，对局部区域进行加密，并指定各边界条件类型。 （2）数值求解。求解器选用基于节点的高斯克林函数梯度法，以提高翼型阻力计算精度，湍流模型选用Spalart-Allmaras模型，并根据压力远场边界条件设置入流速度，在求解过程中，打开残差监视器、升力系数和阻力系数收敛曲线图，直到各系数全部收敛时终止计算。 图1为利用Gambit对襟翼下偏翼型网格划分的局部截图。 2.2 电控旋翼动力入流模型 假设旋翼桨盘处诱导速度为一阶分布： 根据Pitt-Peters动态入流理论[6]，旋翼桨盘处的无因次诱导速度可由以下一阶微分方程组确定： （3） 其中，系数矩阵：，，其具体表达式见参考文献[6]。 对于电控旋翼而言，桨叶变距是通过襟翼偏转产生的气动力矩实现的，襟翼偏转必然导致带襟翼段翼型的气动特性变化，相应地会引起电控旋翼流场的压力分布发生变化，进一步使得电控旋翼桨盘诱导速度分布发生变化。因此，式（3）右端的旋翼气动载荷中所定义的气动力不仅应包含常规旋翼气动力，还应包括襟翼偏转产生的附加气动力。 2.3 电控旋翼挥舞运动方程