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1、懸停狀態(tài)傾轉(zhuǎn)翼機(jī)翼干擾流場(chǎng)及氣動(dòng)力CFD計(jì)算
在實(shí)際運(yùn)用的數(shù)值模擬方法中，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)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(jī)翼氣動(dòng)特性，著重分析了旋翼對(duì)機(jī)翼的影響，但未能充分考慮旋翼/機(jī)翼之間整體的耦合作用。Tadghighi等[6]使用動(dòng)量源方法來(lái)代表旋翼對(duì)流場(chǎng)的影響，初步研究了因傾轉(zhuǎn)旋翼和機(jī)翼氣動(dòng)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(dòng)干擾的程度；國(guó)內(nèi)方面，也已取得了一定的進(jìn)展：李春華、徐愷[8-10]等分別使用渦方法和動(dòng)量源方法較早開(kāi)展了研究，得出了一些有意義的結(jié)論。盡管渦方法和動(dòng)量源方法有著計(jì)算效率高且具
2、有一定分析精度的特點(diǎn)，但傾轉(zhuǎn)旋翼有著的小展弦比（三維繞流特性強(qiáng)）和較大扭轉(zhuǎn)角（氣流分離明顯）等特征，此時(shí)粘性有著顯著的影響，基于勢(shì)流假設(shè)的渦流方法和經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的動(dòng)量源方法無(wú)法捕捉傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼附近的流動(dòng)細(xì)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(jī)翼之間的非定常干擾流場(chǎng)特性，這對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展該型飛行器的氣動(dòng)干擾流動(dòng)特性的分析具有重要作用。
對(duì)于完全CFD方法用于傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼流場(chǎng)的研究，國(guó)外公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)較少，主要有Meakin[11]、Potsdam[12]和Upender[13]等使用基于結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格的CF
3、D方法較好分析了懸停狀態(tài)下的機(jī)翼氣動(dòng)力和傾轉(zhuǎn)旋翼與機(jī)翼的干擾流場(chǎng)特性。但研究多集中在傾轉(zhuǎn)旋翼流場(chǎng)特性的分析上面，關(guān)于旋翼/機(jī)翼干擾氣動(dòng)力及整體氣動(dòng)性能方面的研究開(kāi)展較少。國(guó)內(nèi)截至目前為止，公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)還沒(méi)有針對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼干擾流場(chǎng)及氣動(dòng)力采用完全CFD方法進(jìn)行分析研究。由于傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼干擾流場(chǎng)的特殊性，使得完全CFD方法的運(yùn)用遇到如下幾個(gè)挑戰(zhàn)性的難題：(1)大負(fù)扭轉(zhuǎn)傾轉(zhuǎn)旋翼與機(jī)翼之間的干擾流場(chǎng)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(jī)翼間的非定常氣動(dòng)特性模擬精度問(wèn)題；(3)準(zhǔn)確捕捉傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼間干擾的非定常氣動(dòng)特性計(jì)算效率問(wèn)題等。
針對(duì)上述這些問(wèn)
4、題，在課題組先前積累的旋翼非定常流場(chǎng)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(guò)渡/背景網(wǎng)格使用Euler方程作為控制方程來(lái)減少尾渦的耗散和提高計(jì)算效率。針對(duì)干擾流場(chǎng)的非定常特性模擬的問(wèn)題，選用了雙時(shí)間方法來(lái)進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)。在方法研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展了懸停狀態(tài)下孤立旋翼和傾轉(zhuǎn)旋翼/機(jī)翼氣動(dòng)特性的對(duì)比分析研究，獲得了一些對(duì)高性能傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)價(jià)值的結(jié)論。
多層運(yùn)動(dòng)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(duì)單塊網(wǎng)格很難同時(shí)滿足運(yùn)動(dòng)旋翼和
5、靜止機(jī)翼兩種狀態(tài)，本文采用了運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格方法。此外，為了能更加準(zhǔn)確的模擬出旋翼/機(jī)翼流場(chǎng)干擾細(xì)節(jié)并提高網(wǎng)格間的插值精度，本文在機(jī)翼上方的旋翼周圍引入了過(guò)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(lái)的計(jì)算量問(wèn)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(shí)充分慮了槳葉厚度和扭轉(zhuǎn)角的變化，對(duì)剖面網(wǎng)格進(jìn)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(diǎn)在槳葉前緣、后緣以及槳尖處進(jìn)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(zhǎng)），該
6、網(wǎng)格隨旋翼一起運(yùn)動(dòng)。二是繞機(jī)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(duì)稱面的地方進(jìn)行了閉合處理，以方便于對(duì)稱邊界條件的實(shí)施；三是旋翼網(wǎng)格嵌套所處的靜止過(guò)渡網(wǎng)格，為了能準(zhǔn)確模擬出干擾流場(chǎng)的特性和槳尖渦的空間運(yùn)動(dòng)，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(jì)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(yùn)動(dòng)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(jìn)的"透視圖";法[16]來(lái)確定洞點(diǎn)和洞邊界，并使用伴隨槳葉的InverseMap方法進(jìn)行洞邊界單
7、元的搜尋，發(fā)展了一套多層運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，并計(jì)算其在所處嵌套網(wǎng)格中對(duì)應(yīng)的單元序號(hào)，然后通過(guò)該單元序號(hào)在背景網(wǎng)格上重現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的槳葉形狀。針對(duì)本文中所用的過(guò)渡/背景嵌套網(wǎng)格為規(guī)則的笛卡爾網(wǎng)格的特點(diǎn)，對(duì)槳葉/機(jī)翼/過(guò)渡網(wǎng)格表面網(wǎng)格點(diǎn)在嵌套網(wǎng)格中查找方法進(jìn)行了改進(jìn)：對(duì)洞點(diǎn)的搜尋可以簡(jiǎn)化成三個(gè)方向上的一維搜索，并在可能出現(xiàn)不封閉洞點(diǎn)的位置處對(duì)挖洞單元表面進(jìn)行了自適應(yīng)加密，進(jìn)而減少了內(nèi)存的使用和消除了不連續(xù)洞點(diǎn)的產(chǎn)生。在進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼的洞邊界單元所對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)單元的搜索時(shí)，根據(jù)部件表面網(wǎng)格分布特性對(duì)InverseMap分辨率進(jìn)行優(yōu)化，提高了效率。運(yùn)用上述方法將傾
8、轉(zhuǎn)旋翼嵌套在過(guò)渡網(wǎng)格中作為第一層嵌套，過(guò)渡網(wǎng)格嵌套在背景網(wǎng)格中作為第二層嵌套，機(jī)翼與過(guò)渡/背景網(wǎng)格作為第三層嵌套。結(jié)合并行技術(shù)，將計(jì)算網(wǎng)格分配到不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)，各計(jì)算節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)格類型獨(dú)立同時(shí)進(jìn)行嵌套，成功實(shí)現(xiàn)了嵌套方法的并行執(zhí)行。運(yùn)動(dòng)嵌套中的洞邊界單元對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)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(duì)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(shí)間，k、T分別為熱傳導(dǎo)系數(shù)和絕對(duì)溫度。rV表示相對(duì)速度，tV表示控制體邊界的
9、運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中有著明顯的分離及再附著等復(fù)雜流動(dòng)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(yàn)、量綱分析、對(duì)分子粘性的選擇性依賴得到渦粘性系數(shù)的輸運(yùn)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(yùn)方程，而是采用近似的輸運(yùn)方程，下面給出了忽略轉(zhuǎn)捩相關(guān)項(xiàng)的無(wú)量綱形式后的S-A湍流模型輸運(yùn)方程（略）
3.方程離散
懸停狀態(tài)傾轉(zhuǎn)翼機(jī)翼干擾流場(chǎng)及氣動(dòng)力CFD計(jì)算
