直升机自发明至今,以其机动灵活的特点,在军事、民用运输、急救等领域得到了广泛运用,技术不断更新,到目前为止已经经历了四代的发展。现代直升机具有布局紧凑、前飞速度大、机动能力强以及噪音小的特点,同时也带来了更加严重的空气动力学问题。与固定翼相比,旋翼的流动更加复杂,主要有以下几个特点:第一,旋翼流场同时包括桨根的不可压流动区域和桨尖的跨声速流动区域;第二,旋翼流动是典型的非定常流动,前飞状态下,前行桨叶随来流速度增加,伴随激波等跨声速流动现象的出现,而在后行侧桨叶通常工作在很高的攻角状态下,容易导致动态失速的发生;第三,旋翼产生强烈的桨尖涡和尾迹流动,这些尾涡旋绕在旋翼附近,对飞行器气动性能产生不利影响。计算流体力学经过数十年的发展,在固定翼方面有着非常广泛的应用,在旋翼方面,由于上述的一些复杂特征,应用相对较少。旋翼数值计算方法的发展和尾迹模拟方法的发展密切相关,随着计算技术的进步,目前已经有条件开展三维复杂外形的非定常N-S方程计算,N-S方程考虑了气体的粘性,能够准确描述涡的形成和输运,尾迹可以作为解的一个部分得到。这种方法直接从基本流动方程出发,不附加尾迹模型,适合于复杂旋翼流场的求解,随着计算机速度的不断提高,这种方法具有广阔的应用前景。本文基于结构重叠网格和三维可压缩N-S方程求解,对旋翼流场的数值模拟方法进行了研究,目的是要建立旋翼、旋翼/机身流场的数值模拟分析软件。在内容安排上,主要分为以下七个章节进行论述。第一章为引言,简要介绍了旋翼流场数值模拟方法的研究背景、研究现状以及本文的研究内容。第二章为数值模拟方法,针对旋翼的流场特点,研究了控制方程在惯性和非惯性旋转坐标系下的两种形式、低速预处理技术、双时间步方法和重叠网格方法,发展了旋翼、旋翼/机身流场的数值模拟软件。软件采用直接求解N-S方程的方法获得尾迹,不附加尾迹模型,湍流模型采用SA一方程模型或k-ωSST两方程模型,采用隐式时间处理、多重网格等方法,方程求解具有较高的效率。第三章为数值方法验证,采用NACA4412、NLR7301等低速翼型验证了低速预处理方法的精度和收敛性;通过一维槽流、单涡运动、二维振荡翼型及动态失速、零质量射流与分离控制、定子/转子运动等几个非定常计算实例验证了计算软件的时间精度和子迭代效率;验证算例中还包括对网格收敛性、真实时间步长、湍流模型及多重网格方法的考核。第四章为旋翼悬停流场的数值模拟,采用在非惯性旋转坐标系下求解方程的方法对旋翼悬停流场进行了计算,模拟对象包括了Caradonna-Tung旋翼模型和UH-60A旋翼,对比了本文所采用方法的计算效率和精度,对桨叶表面压力分布、下洗流场、尾迹结构等进行了细致的研究,并通过实验数据进行了验证。第五章为风轮叶片的流场数值模拟,对失速限制型风轮叶片(NREL Phase-Ⅵ)在轴流和偏航状态下的流场进行了数值模拟,其中轴流状态采用在旋转坐标系下进行求解的方法,研究了风轮叶片在经历失速前后的流场变化、桨叶载荷分布,对所产生的扭矩、以及附加的在挥舞和摆振方向的力矩进行了分析。偏航状态采用在惯性系下求解三维非定常N-S方程的方法,研究了桨叶力矩随偏航角的变化规律。第六章为旋翼/机身干扰研究。运用动态重叠网格和求解非定常可压缩N-S方程的方法,对佐治亚大学(GIT)旋翼/机身干扰模型和海豚直升机的前飞流场进行了数值研究,揭示了低速前飞状态下旋翼尾迹发展、流场演化等非定常过程,比较了干扰环境下的机身表面平均压力分布和非定常脉动压力,对干扰现象及其物理机理进行了分析。第七章为结束语,总结了本文的研究工作,并对未来工作进行了展望。