“涡环状态”是直升机的一种特殊飞行状态,进入该状态后,旋翼/尾桨消耗发动机功率但不能有效产生拉力和操纵力矩,出现所谓“带功率沉陷”等现象,严重时可导致坠机事故。为进一步理解涡环状态下流场特征变化对旋翼气动特性的影响,准确模拟涡环状态流场的非定常演化过程至关重要。涡环状态流场以空间各种尺度漩涡的演化为主要特征,因此,提高漩涡流场的空间分辨率是准确模拟涡环状态流场的关键。本文以研究涡环状态流场的演化机理为最终目的。首先,为获得旋翼在涡环状态下的高分辨率流场,针对数值模拟分析中的难点,开发了一套可在非惯性坐标系下实现超大规模并行计算的高效、高分辨率的自适应动态重叠网格求解方法,构建了一套高精度捕捉复杂涡系及分析其演化规律的方法。随后,基于该方法,对旋翼悬停、垂直下降等状态中涡系的非定常演化过程进行了数值研究。重点分析了涡环状态流场中涡环的生成、发展和非对称破缺演化机理,从流体物理层面揭示了垂直下降直升机桨盘振荡/倾覆的根本机制,验证了所发展方法模拟此类复杂流场的精确性和高效性。所做工作为深入开展涡环状态机理研究进而为相应的直升机飞行操纵控制分析等奠定了坚实的技术基础。本文的贡献主要体现在以下两个方面:1、在旋翼流场计算方法上:(Ⅰ)发展了高精度非定常漩涡流场计算方法。在多块结构化网格框架内,基于非惯性坐标系,集成了五阶WENO-六阶中心耗散自适应混合重构格式、任意拉格朗日-欧拉法、低马赫数预处理等技术,实现了旋翼流场的高精度DDES数值模拟计算。(Ⅱ)发展了块结构化网格空间分辨率自适应技术。针对旋翼流场漩涡结构的空间多尺度问题,引入基于八叉树数据结构的块结构化自适应网格技术(Adaptive Mesh Refinement,AMR),使用无量纲Q准则驱动计算网格自适应调整空间分辨率,实现了旋翼流场多尺度漩涡演化过程的高分辨率捕捉。(Ⅲ)在并行计算环境下,发展了基于隐式挖洞技术的全自动重叠网格装配方法。针对多块结构化贴体网格和AMR笛卡尔背景网格的动态嵌套问题,引入几何碰撞检测技术,对存在重叠关系的背景网格块进行筛选,实现隐式挖洞相关网格块数目最小化,提高了装配效率和运行鲁棒性;使用MPI多通信域技术耦合背景网格求解器和贴体网格求解器,在保持两求解器独立性的前提下,实现了整体功能的模块化;并提出了一种实现模块间负载平衡的有效方法。2、在旋翼流场计算分析上:(Ⅰ)分析了旋翼悬停流场复杂涡系演化特性。通过Caradonna-Tung两桨叶刚性旋翼悬停流场算例,验证了算法的符合性;并使用Q准则显示了流场中复杂涡系演化过程的流动细节,对涡核特征的分析验证了Scully和Squire涡核模型与计算结果的一致性,从而从高精度数值计算的角度进一步证实了经典涡核模型在旋翼传统(固定、预定和自由等)尾迹计算技术中的有效性与可靠性;使用本征正交分解以及拉格朗日拟序结构方法获得了桨尖涡空间分布的主导模态和轴截面上涡系的演化特性,发现桨叶后缘涡面的集中卷起对桨尖涡垂向运动速度有重要影响,远尾迹区相邻桨尖涡的配对、共旋以及相互穿越等非线性现象引发了尾迹结构的破碎和湍流化。(Ⅱ)研究了垂直下降状态下流场中涡环非对称破缺的发生机制。对不同垂直下降速度的旋翼流场进行了数值模拟,使用涡环演化理论阐释了垂直下降流场中涡系的演化规律,发现流场中的涡环环量存在生长极限和二次生长现象;涡环穿越引起的融合和桨根涡破碎下洗是引起涡环环量二次生长的主要原因;涡环的径向和轴向不稳定性引发两种非对称破缺模式是造成桨盘倾覆危险的主要原因;通过分析大速度下降时桨盘平面内的有效迎角分布,发现桨根涡的周期性径向拉伸破碎引发桨盘载荷出现明显振荡,并且桨盘极易沿桨根涡径向拉伸方向发生旋转而导致倾覆。