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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252017V01．38NO6SSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：∥hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／SlOOO一6893．2016．0313考慮遮蔽區(qū)影響的旋翼三維水滴撞擊特性計(jì)算新方法陳希，招啟軍*南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016摘要：針對(duì)直升機(jī)旋翼三維黏性流場(chǎng)特有的復(fù)雜環(huán)境，建立了一種基于歐拉法的旋翼三維水滴撞擊特性計(jì)算的新方法。首先，在旋翼槳
2、葉嵌套網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一套用于預(yù)測(cè)旋翼繞流流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬方法。然后，為克服傳統(tǒng)直升機(jī)旋翼二維水滴撞擊特性計(jì)算方法的不足，充分考慮旋翼流場(chǎng)的三維效應(yīng)，在嵌套網(wǎng)格中基于歐拉法求解旋翼三維水滴撞擊流場(chǎng)。其中，為解決尾流等區(qū)域的密度脈沖現(xiàn)象所引起的穩(wěn)定性和收斂性問(wèn)題，提出并建立了遮蔽區(qū)擴(kuò)散模型。該模型通過(guò)判斷遮蔽區(qū)變量，在計(jì)算域中動(dòng)態(tài)生成遮蔽區(qū)域，并隨迭代步數(shù)逐漸擴(kuò)散。最后，通過(guò)與NACA0012翼型及國(guó)外UH一1H槳葉的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了旋翼三維水滴撞擊特性計(jì)算新方法的可靠性，并進(jìn)行了溫度和水滴當(dāng)量直徑(MV
3、D)對(duì)旋翼三維水滴撞擊特性的影響分析。結(jié)果表明：遮蔽區(qū)擴(kuò)散模型的加入，使二維情況的計(jì)算時(shí)間減少了22％，并增加了三維情況的計(jì)算穩(wěn)定性，顯著提高了旋翼三維水滴撞擊特性的計(jì)算效率；沿著旋翼槳葉展向位置增大的方向，旋翼槳葉剖面水滴撞擊范圍有所增大，最大水滴局部收集系數(shù)呈先增加后減少再增加的變化趨勢(shì)，其變化幅度接近50％；旋翼槳葉表面的水滴撞擊區(qū)域和水滴局部收集系數(shù)隨水滴當(dāng)量直徑的增加而增加。關(guān)鍵詞：旋翼；結(jié)冰；水滴撞擊特性；歐拉法；遮蔽區(qū)；計(jì)算流體力學(xué)中圖分類號(hào)：V211．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000一6893(2017)06—120
4、745—12直升機(jī)在結(jié)冰環(huán)境下飛行時(shí)，空氣中的過(guò)冷水滴會(huì)撞擊到槳葉表面，造成旋翼結(jié)冰現(xiàn)象。旋翼結(jié)冰是一個(gè)危害直升機(jī)飛行安全的重要因素，它會(huì)改變旋翼繞流流場(chǎng)，破壞旋翼氣動(dòng)性能，進(jìn)而影響直升機(jī)的操縱性，甚至導(dǎo)致空難的發(fā)生[1。3]。由于過(guò)冷水滴的運(yùn)動(dòng)軌跡決定了旋翼表面水滴局部收集系數(shù)，直接影響結(jié)冰情況，所以水滴撞擊特性計(jì)算是直升機(jī)旋翼結(jié)冰數(shù)值模擬中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，水滴撞擊特性的計(jì)算方法主要有拉格朗日法和歐拉法[4‘8]。針對(duì)旋翼等復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境，拉格朗日法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程較繁瑣，計(jì)算效率和精度也需要提高。同時(shí)，歐拉法可以應(yīng)用于非定常流場(chǎng)，固
5、壁邊界可以移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，更適合于旋翼槳葉的水滴撞擊特性計(jì)算[9-10]。在進(jìn)行旋翼水滴撞擊特性計(jì)算時(shí)，研究者往往選擇忽略旋翼的三維流動(dòng)效應(yīng)[1卜14]。Narducci和Kreeger在旋翼結(jié)冰數(shù)值計(jì)算中，通過(guò)提取特征剖面的迎角和來(lái)流速度，對(duì)各剖面進(jìn)行了二維的水滴撞擊特性計(jì)算[11
6、。這種簡(jiǎn)化的方法給旋翼水滴撞擊特性計(jì)算和結(jié)冰預(yù)測(cè)提供了便利，但是由于忽略了旋翼三維流場(chǎng)效應(yīng)，計(jì)算得到的水收稿日期：2016-09-01；退修日期：2016-10-11；錄用日期：2016．11—25；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016—12·0516：40網(wǎng)絡(luò)出版地址：
7、www．cn¨net／kcms／detail／11．1929V20161205．1640．004．html基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11272150)*通訊作者．E—mail：zhaoqjjun@nuaa．edu．cn}
8、用格武
9、嚷希，招啟軍．考慮遮蔽區(qū)影響的旋翼三維水謫撞擊特性計(jì)算斯方法￡山航空學(xué)撮．2017．38(6)：120745．cHENx。zHAoQJ?№wmet№dforpredlctlng3-Dwaterdrop
10、et}mpin口ementonrotorcons
11、dertnginf
12、uenceofs怕dowzone[J
13、j．ActaAef∞aumcaetAstronauticas．nica．2017．38(6)：120745÷120745．1航空學(xué)報(bào)滴撞擊特性將會(huì)與真實(shí)值產(chǎn)生一定的偏差，正如文獻(xiàn)[11]中的結(jié)果表明，槳葉中前段的結(jié)冰預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差較大。因此，為獲得更準(zhǔn)確的旋翼水滴撞擊特性，三維流場(chǎng)效應(yīng)需要被充分考慮。在歐拉法的水滴撞擊特性求解過(guò)程中，由于控制方程的高度非線性，Bourgault等建立了基于體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值擴(kuò)散項(xiàng)，以解決易出現(xiàn)的體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值振蕩問(wèn)題[15
14、。Tong和Luke將其歸因于局部密度脈沖引起的高表觀密度(Appare
15、ntDensity)區(qū)域，并提出了對(duì)應(yīng)的數(shù)值擴(kuò)散系數(shù)[16
16、。楊勝華等進(jìn)一步指出高表觀密度區(qū)域易出現(xiàn)于流經(jīng)機(jī)翼上下表面的兩股氣流交匯處，并提出自適應(yīng)的數(shù)值擴(kuò)散項(xiàng)，以解決計(jì)算不穩(wěn)定、局部奇異解等數(shù)值問(wèn)題[17
17、。在對(duì)固定翼
