复合式高速直升机旋翼下洗流对机翼的气动影响分析_刘超凡.pdf

第 14 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.14 No.1Feb.2023航空工程进展ADVANCES IN AERONAUTICAL SCIENCE AND ENGINEERING复合式高速直升机旋翼下洗流对机翼的气动影响分析刘超凡，朱清华，刘佳（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：对复合式高速直升机的旋翼两侧不同强度下洗流对机翼的气动干扰分析，可以为类似构型直升机的气动外形设计及优化提供一定的参考。采用动量源方法对复合式高速直升机悬停及前飞状态的流场进行数值模拟，分析旋翼两侧不同强度的下洗流对机翼的气动影响，研究改变旋翼桨盘高度和机翼展弦比对气动特性的影响。结果表明：复合式高速直升机前飞时，随着旋翼桨盘的增高，两侧机翼升力差峰值减小，且峰值落在更小速度处；随着机翼展弦比的增大，两侧机翼升力差峰值减小，且在峰值后同一速度下，机翼越细长两侧升力差越小。关键词：动量源；复合式高速直升机；旋翼；机翼；气动特性中图分类号：V211.52 文献标识码：ADOI:10.16615/ki.1674-8190.2023.01.04Aerodynamic effect analysis of rotor downwash on wings of composite high-speed helicopterLIU Chaofan，ZHU Qinghua，LIU Jia（National Key Laboratory of Rotorcraft Aeromechanics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）Abstract：The analysis of the aerodynamic interference of the downwash on wings under different intensities on both sides of the rotor of the composite high-speed helicopter，can provide a certain reference for the design and optimization of the aerodynamic shape of the similar configuration helicopter.The unsteady momentum source method is used to perform the numerical simulation of the flow field of a composite high-speed helicopter in hovering and forward flight states，and the aerodynamic effects of different downwash on both sides of the rotor on wings are analyzed.The effect of aerodynamic characteristics on changing the height of the rotor disc and the aspect ratio of wing is studied.The results show that，when the composite high-speed helicopter flies forward，the peak lift difference between the two sides of the wing is decreased with the increase of the rotor disc height，and the peak value falls at a lower speed.With the increase of the wing aspect ratio，the peak lift difference between the two sides is decreased.Under the condition of same speed after the peak value，the slender the wing is，the smaller the lift difference between the two sides is.Key words：momentum source；composite high-speed helicopter；rotor；wing；aerodynamic characteristics文章编号：1674-8190（2023）01-038-09收稿日期：20220428；修回日期：20220605通信作者：刘超凡,引用格式：刘超凡,朱清华,刘佳.复合式高速直升机旋翼下洗流对机翼的气动影响分析J.航空工程进展,2023,14(1):38-46.LIU Chaofan,ZHU Qinghua,LIU Jia.Aerodynamic effect analysis of rotor downwash on wings of composite high-speed helicopterJ.Advances in Aeronautical Science and Engineering,2023,14(1):38-46.(in Chinese)第 1 期刘超凡等：复合式高速直升机旋翼下洗流对机翼的气动影响分析0引 言传统单旋翼带尾桨构型直升机在前飞时桨盘左右两侧气动环境不对称，高速前飞时前行桨叶易产生激波阻力，后行桨叶易产生气流分离，使其升力受到极大限制1。国内外直升机研究者为解决这个难题，提出许多非常规构型的直升机方案，例如倾转旋翼机、复合式高速直升机等，其中倾转旋翼机多用于重型直升机，代表性的有 V-22“鱼鹰”直升机，具有飞行速度快、航程远的优点，但由于其倾转机构较为复杂，导致事故率较高；复合式高速直升机由于其前飞速度高、结构简单的优势而受到广泛关注，欧洲直升机公司设计了一种双拉力螺旋桨复合式高速直升机X-3直升机2。相对于常规单旋翼带尾桨直升机布局，复合式高速直升机在机身两侧增加了机翼，机翼端部加装了螺旋桨，因此复合式高速直升机与常规直升机气动特性有明显不同3。悬停时，旋翼下洗流竖直向下，对处于旋翼下方的机翼及螺旋桨产生较大气动干扰。随着复合式高速直升机前飞速度增加，旋翼下洗流发生偏折4，对螺旋桨及机翼的影响程度也发生变化，尤其是旋翼下洗流对机翼的干扰。当旋翼下洗流打到机翼时，不仅会破坏机翼附近的流场分布使机翼表面压强分布改变，而且由于旋翼的前行桨叶和后行桨叶下洗流强度不一致，可能还会使两侧机翼受力差别较大，致使横向稳定性较差。综上所述，对复合式高速直升机的旋翼两侧不同强度下洗流对机翼的气动影响进行分析与研究具有重要意义。迄今为止，国内外有许多对于复合式高速直升机的研究。国外，J.A.Faust等5对复合式直升机的非对称升降舵进行了概念化研究；C.Oehrle等6研究了高速飞行中 X-3 复合高速直升机的仿真与飞行试验相关性；J.Stanisawski7对旋翼在复合式构型直升机中的效率进行了研究；Y.Hyeonsoo8针对复合式直升机设计及气动性能进行了研究；S.Tom 等9研究了复合式直升机的旋翼在旋转至机翼上方时两者之间的干扰。国内，赵寅宇等10基于动量源方法提出了 X-3构型复合式高速直升机旋翼/螺旋桨干扰流场分析的数值模拟方法；申遂愿等3基于动量源方法对复合式高速直升机旋翼/螺旋桨/机身干扰特性进行了数值计算及分析，并且分析了 X-3构型复合式高速直升机悬停及不同前飞速度下旋翼/螺旋桨/机身的相互干扰；万佳等11采用自由尾迹算法和涡格法，编制了针对复合式直升机旋翼机翼升力系统的气动计算程序，对旋翼和机翼间的气动干扰情况进行了初步分析；朱凌军12对复合式直升机在悬停状态下的旋翼/机翼之间的气动干扰问题进行了深入研究，通过改变机翼参数研究其影响。研究者对复合式直升机已经进行了相关研究，但并未详细研究前飞状态下旋翼桨盘高度、机翼展弦比对旋翼两侧不同强度的下洗流对机翼的气动干扰影响。目前，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）方法已被广泛应用于直升机流场数值模拟，主要有滑移网格、嵌套网格方法和动量源方法三种。王钰凯等13采用基于滑移网格模型的数值模拟方法，分析计算了某四旋翼无人机处于悬停状态时的气动特征；杨博等14基于结构嵌套网格方法对旋翼、机身进行流场数值模拟研究，该方法与滑移网格缺点一致，即网格数量较多，计算周期较长；郭佳豪等15对非定常动量源方法及其在旋翼悬停模拟中的应用进行了研究，结果表明动量源方法计算周期短，网格数量相对较少。本文在前人研究与分析的基础上，采用动量源方法，模拟复合式高速直升机悬停及前飞状态下旋翼下洗流对机翼的气动干扰特性，研究不同旋翼桨盘高度、机翼展弦比对机翼的气动干扰影响。1旋翼对机翼干扰特性计算及分析本文复合式高速直升机三维模型如图 1所示。旋翼参数如表 1所示（翼型为 NACA0015），螺旋桨参数如表 2所示（翼型为 NACA63）。图 1 复合式高速直升机三维示意图Fig.13D schematic diagram of composite high-speed helicopter39第 14 卷航空工程进展1.1计算网格本文所用计算方法动量源方法与文献3 中的方法相同，且经过了算例验证，此处不再赘述。采用动量源方法时，需要将旋翼与螺旋桨和机身分开进行网格划分。旋翼和螺旋桨等效为圆盘，进行结构网格划分，对机身进行非结构网格划分，复合式高速直升机计算网格如图 2所示。（a）旋翼/螺旋桨结构网格（b）机身非结构网格（c）计算域网格图 2 复合式高速直升机计算网格Fig.2Composite high-speed helicopter computational grid1.2悬停时旋翼对机翼的气动影响复合式高速直升机通过左右螺旋桨的差动以抵消旋翼反扭矩。对直升机悬停，旋翼和螺旋桨都处于工作状态，运用 Fluent商用软件设置各项参数，进行气动计算，得到横向截面速度云图如图 3 所示，两侧机翼压力云图如图 4所示。从图 3图 4可以看出：无前飞速度、只有旋翼工作时，两侧机翼受旋翼下洗流影响几乎相同，而旋翼、螺旋桨同时工作时，两侧机翼受力情况有较明显差异。经分析，此情况可能是受螺旋桨影响所致。对无前飞速度、只有螺旋桨工作状态下的复合式高速直升机进行气动计算，得到水平截面速度云图如图 5 所示，两侧机翼压力云图如图 6 所示，可以看出：左侧螺旋桨气流打到机翼上，使机翼外侧前缘产生一些压力。在螺旋桨、旋翼同时工作时，这股气流会对机翼下洗流产生干扰，进而影响机翼受旋翼下洗流的影响，使得左侧机翼压力变小。图 3 悬停状态速度云图Fig.3Hover state speed cloud map（a）左侧机翼（b）右侧机翼图 4 悬停状态两侧机翼压力云图Fig.4The pressure cloud map of the wings on both sides of the hovering state表 1复合式高速直升机旋翼参数Table 1Composite high-speed helicopter rotor parameters参数旋翼半径R/m弦长cxy/m桨叶片数数值2.80.243参数负扭度/（）旋翼根切Rc/m数值-150.2表 2螺旋桨参数Table 2Propeller parameters参数桨叶半径R/m弦长cxy/m桨叶片数数值0.480.0623参数负扭度/（）桨叶根切Rc/m数值-200.1240第 1 期刘超凡等：复合式高速直升机旋翼下洗流对机翼的气动影响分析1.3前