直升机专栏：直升机旋翼涡流场数值模拟

直升机旋翼流场的主要特征

        直升机旋翼流场的主要特征包括：高速流动与低速流动并存，桨尖附近的流动可达跨音速，而桨毂附近的流动却在不可压范围内；前行桨叶附近流动的相对速度较大，伴随有激波产生和激波-附面层的干扰现象，后行桨叶工作在大迎角状态，很容易产生大分离流动，甚至动态失速；桨尖涡主宰着整个流场，在某些飞行状态下甚至会产生叶涡干扰现象；另外，旋翼桨叶之间还存在相对运动。这些复杂流动特征使得旋翼流场的数值模拟变得非常困难。因而直升机旋翼流场的数值模拟是一项挑战性的研究工作。

直升机旋翼CFD的研究方法

        旋翼CFD的研究方法可分为两类：一类是Lagrange方法；另一类就是Euler方法。第一类方法本质上是涡方法（如图1所示），这种方法对尾迹模型的准确度依赖性较高，第二类方法从Euler/NS方程出发（图2），涡是作为Euler/NS方程解的一部分而存在的，这种方法具有普遍的代表性，代表了旋翼CFD的发展方向。 

图1 涡方法模拟的旋翼尾迹涡

图2 RANS法模拟的旋翼尾迹涡

        随着CFD方法的发展和计算机技术的进步，通过直接求解Euler/NS方程成了旋翼CFD发展的主流。在20世纪80年代，Euler方法的研究主要集中在悬停流场的数值模拟，且控制方程大多为Euler方程，没有考虑粘性。20世纪90年代以后，以RANS方程为主的旋翼流场的数值模拟得到了全面的发展。结合重叠网格技术和自适应网格技术使得旋翼的涡得以比较精确的模拟。

基于RANS的非结构自适应方法

       目前非结构网格方法在直升机旋翼流场的计算中得到广泛的应用。运动重叠非结构网格是目前直升机旋翼前飞流场数值模拟中应用最广的网格方法。由于直升机旋翼流场涡占主导地位，特别对于直升机旋翼悬停流场，桨尖涡异常强烈，始终盘旋在桨叶下方。如图3-图6所示悬停流场网格自适应加密能够更加精确的捕捉到桨叶下方的涡。如图7所示某直升机旋翼前飞涡流场示意图，如图8某直升机前飞带机身涡流场图。

图3 某直升机旋翼悬停流场涡随网格自适应加密图之t=1S

图4 某直升机旋翼悬停流场涡随网格自适应加密图之t=2S

图5 某直升机旋翼悬停流场涡随网格自适应加密图之t=3S

图6 某直升机旋翼悬停流场涡随网格自适应加密图之t=4S

图7 某直升机旋翼前飞涡流场示意图

，图8 某直升机前飞带机身涡流场图