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第二十八届（2012） 高速直升机旋翼气动特性分析 张 昆 史勇杰 徐国华 招启军 (南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016) 摘 要：桨叶的气动外形对直升机旋翼的气动特性有着显著的影响。本文首先对X2高速直升机的桨叶气动外形进行了研究，然后基于运动嵌套网格技术生成了一套由桨叶贴体网格和背景网格组成的旋翼网格系统，并基于Euler方程发展了一套适用于旋翼前飞气动特性计算的CFD方法，最后，以AH-1G/OLS模型旋翼为算例，通过计算结果与试验结果的对比验证了本文发展的CFD方法是有效的，在此基础上，将该方法应用于高速直升机的旋翼气动特性分析，并得出了一些有意义的结论。 关键词：高速直升机; 旋翼; 气动特性 1 引言 由于受前行桨叶气流压缩和后行桨叶气流分离限制，常规直升机的最大飞行速度通常只有300km/h左右，这无法让其执行那些对飞行速度有较高要求的任务，所以飞行速度低的局限性限制了它的进一步应用[1]。高速直升机作为一种新型飞行器，能够兼备常规直升机的悬停、垂直起降和固定翼飞机的高速飞行等优点，因此在民用上，尤其在军事上，它将发挥常规直升机不可替代的作用。 旋翼作为直升机的主要升力面和控制面，它的气动特性直接影响着直升机的总体飞行特性，而桨叶的气动外形又会对旋翼的气动特性产生显著的影响，因此，桨叶的气动外形设计是直升机设计的重中之重。与常规直升机相比，高速直升机由于要考虑高速飞行，所以需要采用不同于常规直升机的桨叶气动外形设计。国外关于高速直升机桨叶气动外形的研究很少，仅Ashish Bagai对Sikorsky公司的X2高速直升机[2]的桨叶气动外形设计进行了简单介绍；国内有关桨叶气动外形的研究较多，但仅停留在常规直升机的桨叶气动外形设计上，到目前为止，针对高速直升机的桨叶气动外形研究尚未开展。 为此，本文首先以X2高速直升机为研究对象，对高速直升机的桨叶气动外形进行了研究，然后基于CFD方法分析了高前进比旋翼的气动特性。在该方法中，控制方程为Euler方程，在每个网格单元上采用格心格式的有限体积法对控制方程进行空间离散，而且为了保持时间精度，采用伪时间和真实时间相结合的双时间方法[3]来模拟旋翼前飞流场的非定常变化过程。 2 高速直升机的桨叶气动外形研究 与常规直升机相比，高速直升机由于要考虑高速飞行，所以其旋翼的前进比远高于常规直升机旋翼，这必将使后行桨叶内侧处于从后缘吹向前缘的深度反流中，这样的气流很容易产生分离，导致后行桨叶内侧阻力激增，从而给旋翼气动特性带来不良影响[4]。不仅如此，当高速直升机高速飞行时，随着飞行速度逐渐增大，旋翼的前进比不断增大，导致后行桨叶内侧的绝大部分都处于反流区中（如图1所示），这进一步加剧了这种不良影响。因此，为了改善后行桨叶内侧的气动环境，进而改良旋翼的气动特性，高速直升机需要采用不同于常规直升机的桨叶气动外形设计。X2高速直升机的桨叶气动外形融合了几个非传统的设计特点，包括现代翼型、正负扭转梯度、非均匀的桨叶平面形状以及特殊的桨叶厚度分布，它的这些设计特点代表了高速直升机桨叶气动外形的设计特点。本文仅通过现代翼型和正负扭转梯度来开展高速直升机的桨叶气动外形研究。 （a）较大速度飞行，μ=0.55 （b）巡航速度飞行，μ=0.77 （c）最大速度飞行，μ=0.85 图1 X2高速直升机的反流区随前进比μ（飞行速度）增大而增大 2.1 现代翼型 在改善旋翼气动特性和提高旋翼效率方面，现代翼型[2]（双钝头翼型、超临界翼型）是非常有效的。本文首先在传统大弦长尖后缘翼型基础上创建了小弦长双钝头翼型（如图2(a)所示），然后分别对该双钝头翼型和NACA0012翼型进行了正吹风（从翼型前缘吹向后缘）和反吹风（从翼型后缘吹向前缘）数值模拟，最后将两者的数值模拟结果进行了对比，如图2(b)所示，“LE”表示正吹风，“TE”表示反吹风。 （a）本文创建的双钝头翼型 （b）双钝头翼型与NACA0012翼型的气动特性对比 图2 双钝头翼型及其与传统尖后缘翼型的气动特性对比 由图可知，对NACA0012翼型而言，在迎角大于3°的工作状态下，在翼型上产生的阻力远比气流从前缘吹向后缘时的大，这是因为前者从迎角为4°开始便在翼型前缘出现了涡，而后者直到迎角为14°才开始在翼型后缘出现涡（如图3(a)所示），不仅如此，气流从后缘吹向前缘时的失速迎角也远比气流从前缘吹向后缘时的小，这将导致在小迎角工作状态下发生气流分离现象，对翼型的气动特性是不利的；对双钝头翼型而言，在迎角小于20°的工作状态下，气流从后缘吹向前缘时在翼型上产生的阻力与气流从前缘吹向后缘时的非常接近，这是因为两者在该工作状态下都未出