时间推进自由尾迹方法计算俯仰机动时旋翼的尾迹和入流特性.pdf

探索创新交流(第三集)——第三届中国航空学会青年科技论坛文集 15 时间推进自由尾迹方法计算俯仰机动时旋翼的尾迹和入流特性李春华陈平剑(中国直升机设计研究所一室,江西景德镇333001) 摘要:推导了旋翼俯仰机动时的桨叶挥舞运动方程。给出了桨叶升力面模型和尾迹时问推进预测一校正算法,。通过计算的旋翼人流值与实验值的对比,,并分析了俯仰机动时旋翼的人流特性。关键词:自由尾迹;旋翼;俯仰;人流;时间推进 1 引言直升机独特的旋翼操纵方式使其具有优异的低空机动性能,当旋翼在俯仰机动飞行时,桨盘有附加的角运动,将使非定常的旋翼三维流场变得更为复杂。这种旋翼姿态的瞬时输入,会导致尾迹出现附加的弯曲畸变及滞后效应,从而改变旋翼的诱导速度流场。引起旋翼人流发生变化。人流的变化又会引起桨叶不同的动态气动响应,反过来又影响旋翼的尾迹和人流,因此,俯仰机动时的尾迹形状和人流特性的预测十分困难。由于旋翼尾迹和人流特性的计算是进一步分析桨叶剖面载荷、气动响应特性的基础和前提。因此精确地预测俯仰机动时的尾迹和人流特性将为直升机旋翼的设计提供重要依据。现有的旋翼人流分析模型,如动力人流?、有限状态人流旧1模型等,均假定桨毂固定,不考虑角运动对旋翼人流的影响。早在20世纪70年代,TakasawaH’首次提出直升机俯仰运动会导致旋翼人流变化并减小旋翼的俯仰阻尼,但此后相当长的时间内, 人流模型均没有考虑旋翼俯仰角运动对人流变化的影响。20世纪90年代中期,Ros— en[41采用预定尾迹模型分析了机动飞行时旋翼角运动对人流的影响,并用于稳定性分析,然而预定尾迹模型对于旋翼尾迹形状的模拟与真实情况有一定的距离。最近,一些研究人员在动力人流”1方法的基础上加入角运动的影响分析旋翼人流变化,并取得了明显的进展,但对于尾迹的变形特性没有展开研究。由于旋翼在俯仰时的尾迹几何形状会对旋翼诱导速度场产生较大影响,而尾迹畸变又是引起桨盘人流变化的主要原因之一,因此自由尾迹方法【61在这类问题的研究上具有优势,而在这方面的研究工作, 目前开展得还比较少。为此,本文推导了旋翼俯仰机动时的桨叶挥舞运动方程,然后基于升力面模型、时间推进自由尾迹算法和涡核模型,并结合旋翼配平分析模型,建立了一个时间推进自由尾迹 16 探索创新交流(第三集)——第三届中国航空学会青年科技论坛文集计算方法。然后利用该方法,计算了旋翼在俯仰时尾迹几何形状的畸变特点,并分析了旋翼俯仰时的人流特性。 2计算方法 ,角速度和加速度与定常飞行时有较大差别,其挥舞运动方程也比定常飞行时要复杂。俯仰时旋翼的挥舞运动如图l所示,桨叶微段的角速度存在如下关系圪桨毂妒咿图1 旋翼俯仰时的桨叶挥舞示意图∞I 2 q sinCoos卢+力sin卢1 n,2=q COS砂一口(1) 山3=一qsin砂sin卢+n COSpJ 桨叶的挥舞铰是在非惯性系中,因此其牵连加速度可采用速度求导的方法得到,挥舞铰在垂直桨盘方向的速度可表示为 V=亿R sin妒sin a—qeR COS砂=亿Ra sin砂一qeRCOS砂(2) 于是。加速度可以表示为叱=