直升机旋翼流场气动分析

一、背景

随着高速直升机的发展，如何降低直升机气动阻力和功率消耗越来越受到人们的重视。直升机气动阻力主要由机身、主旋翼桨毂和起落架产生。过去研究人员多采用风洞试验预测直升机阻力特性。而随着风洞试验成本的不断增加，以及计算流体力学的飞速发展，采用CFD技术预测直升机的气动阻力已成为研究工作者广泛采用的一种手段。

过去大多数用户皆以为PumpLinx只能服务于泵阀行业，其实不然，PumpLinx拥有完备的CFD求解功能，加之其对于运动机械CFD分析的模板优势，因此在进行直升机的气动阻力分析时也具备良好的适应性。

二、螺旋桨机翼气动干扰分析关键点

利用CFD方法对直升机气动干扰进行分析相较于理论和实践有很多优点，例如CFD分析可用于分析复杂的非线性非定常流场的气动模拟，便于操作实行，可控性强，各种边界条件容易掌控，可以全面考虑影响旋翼效率的各种因素（桨叶形状、总距角、叶片数、转向等）。然而，数值模拟仍然存在一些共性问题，主要体现在：

直升机计算域网格模型的建立。对于旋翼绕流的数值计算而言，为了保证粘性附面层内的模拟精度，结构网格更容易在物面附近生成，然而对于直升机旋翼的不规则模型来说，生成难度大。由于模型中需包含机体模型，生成整个计算域模型的高质量网格并合理控制网格数量难度较大；

计算规模非常庞大，计算效率不高，计算过程中易遇到发散、震荡以及求解结果不收敛的问题；此外直升机旋翼的下洗流场是一种非定常流场，具有周期脉动和时空分布不均匀的特性，需要采用非定常进行计算分析。而采用非定常计算对于直升机的气动分析计算效率而言提出了更大的挑战。

三、PumpLinx直升机案例介绍

本文主要介绍如何采用PumpLinx对直升机进行高效的气动模拟。

模型假设

   地面为平面，直升机距地面3.5m；

   直升机处于悬停状态；

   空气视为理想气体；

   桨叶直径约12m，取直升机外流场圆柱体范围：直径约60m，高度25m。

图1 计算域

网格划分

   旋翼区域采用结构化网格，充分考虑机翼的边界层效应；

   直升机外流场采用二叉树笛卡尔网格，采用多重网格加密；

   1天之内完成网格建模，网格总数655万；

图2 网格模型（体网格655万）

模型设置

   采用非定常计算；

   调用PumpLinx螺旋桨模型，设置计算模型及动网格，其中速度项采用二阶计算；

   湍流模型采用标准k-e模型；

   旋翼转速375rpm。

部分结果展示

图3  旋翼处截面速度分布

旋翼处截面速度分布：旋翼圆周方向形成一个逐渐衰减的尾迹，速度场关于旋转轴呈对称分布，距离旋转轴越近，速度梯度和速度数值越小。

图4 直升机浆尖粒子示踪

图5 机翼上表面压力分布

图6 机翼下表面压力分布

图7  轴截面速度分布

图8  轴截面压力分布

图9  机翼横截面速度及压力分布

图10  机翼速度分布

图11 机身横截面压力分布

图12  机身截面速度场分布

旋翼上方的空气在旋翼作用下收缩下降，空气通过高速转动的旋翼时流速、流向发生改变，下洗流场中气流主要集中分布在旋翼正下方。

图13 流场流线分布

上图显示，直升机在低空悬停的初始阶段，由于地面效应的影响，桨叶附近流场复杂，直升机外侧形成明显的非对称漩涡，由该涡形成的地面扬沙对直升机的性能影响极大。

图14 机翼升力预测

升力预测结果与用户提供的数据十分吻合。

四、小结

   PumpLinx可以快速建立螺旋桨飞机的三维分析模型并计算，计算过程稳定且高效，前处理及求解过程快速且高效；

   从数值模拟得到计算结果可知，该直升机流场的压力、速度、升力、功率等结果与理论数据吻合良好，且与客户提供的计算数据高度吻合；

   整个非定常计算过程约2-3天，计算效率高且对硬件要求不高。硬件配置如下：

   安装内存：16G

   处理器：Intel（R）Xeon（R）CPU E5-2690v2 @ 3.00GHz  8核并行