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微型化是目前飞行器的一大发展趋势。微小型旋翼飞行器具有机动性能好,可悬停及自悬下降等独特性能,在军事及民用方面都有潜在的应用前景,因此,在过去的几年里得到了广泛关注。由于飞行雷诺数低及桨叶的高速旋转等因素,微小型旋翼的流场体现出分离流动、尾迹涡、桨涡干扰等许多复杂特征,目前研究尚处于起步阶段。本文在总结旋翼研究进展的基础上,采用CFD方法对微小型旋翼的悬停流场进行了研究。
研究内容主要体现在以下几个方面:
1.为了有效地描述旋翼的旋转运动,合理地生成旋翼系统的计算网格,本文研究并应用了嵌套网格技术。在研究过程中,对桨叶生成高质量的C型网格,来模拟物面附近的粘性流动及捕捉近场尾涡,同时,针对悬停流场的圆柱特征,采用近似柱型的背景网格来捕捉远场尾涡,桨叶网格与背景网格间通过三线性插值来进行流场信息的交换。
2.为了减小采用CFD方法来研究旋翼流场时对计算量的要求,在充分考虑悬停流场结构特点的基础上,本文采用如下的计算策略:1)考虑在远离桨叶的流场,流动近似无粘,因此在桨叶网格上采用雷诺输运的Navier-Stokes方程作为控制方程,而在背景网格上采用Euler方程作为控制方程,从而在很大程度上减少计算量;2)本文选取固连于旋翼的非惯性旋转坐标系,并对旋翼在该坐标系下的控制方程进行了严格推导,在该坐标系下来观察流体的绝对运动,悬停流场实际是定常流场,计算简便许多;3)由于悬停流场具有对称性,针对二桨叶的旋翼系统,计算在一个桨叶上进行,通过在背景网格上实施对称条件来达到对整个流场的模拟。
3.考虑悬停流场中桨盘下方尾迹涡的完全卷起大多属无拈流动,而且目前许多尾迹模型存在缺陷,在本文的计算中,借用Riemann不变量来处理远场边界条件,并对其进行合理修正,尾涡系统作为解的一部分而存在,而没有采用任何尾迹模型。
4.在具体求解过程中,采用中心有限体积法对控制方程进行空间离散,在时间方向应用五步混合Runge-Kutta格式进行积分,同时,采用当地时间步长及隐式残值光顺等措施来加速计算过程的收敛。
5.本文通过对Caradonna旋翼模型的两个实验状态进行计算验证了方法的正确性及有效性,继而对低雷诺数的悬停流场进行了研究,计算结果刻画了低雷诺数悬停流场在桨叶表面出现明显的展向流动及分离流动等主要特征,本文还对桨叶的厚度和扭转对低雷诺数悬停流场的影响进行了分析,为将来设计具有良好气动性能的低雷诺数旋翼提供建议,为微小型旋翼的理论研究提供借鉴。