基于Fluent UDF的旋翼前飞变距气动仿真讲解

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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本文摘要（由ai生成）：

这篇文章主要介绍了利用 CFD 软件进行直升机旋翼前飞数值仿真的案例。文章在工程背景和案例描述之后，详细介绍了仿真思路，提出综合采用滑移网格、嵌套网格和 UDF 技术来实现仿真。在网格划分部分，文章提出需要划分三层两套网格，并详细介绍了各网格的作用。在运动指定与求解部分，文章提出需要利用 Define_Zone_Motion 宏进行区域运动的指定，并介绍了如何在 fluent 中直接进行后处理获取结果。最后，文章提供了《基于 fluent 的旋翼前飞变距气动仿真》的视频教程。

导读：大家好，我是仿真秀专栏作者无人机工坊（曾用名Graychen），一位不断学习与分享的飞行器设计工程师。自2019年6月首次在仿真秀发布原创文章《3年！我收获了22条ICEM使用经验与网格划分错误分析》以来，我陆续在仿真秀推出了各种无人机设计仿真教程（包括无人机行业仿真技术进阶-固定翼和旋翼类飞行器设计等）：

[1] 基于Fluent的无人机用无刷电机的流-热耦合分析

[2] 在Isight平台上进行的基于CST参数化+Xfoil的无人机翼型优化

[3] 无人机设计仿真流程讲解与案例实操

[4] 利用XFLR5进行无人机气动数据分析

[5] MQ-9捕食者无人机Fluent气动和飞行稳定性分析

因此我也收获了大量用户好评和仿真秀2021年度优秀讲师荣誉称号。

即日起，笔者继续给无人机设计仿真兴趣爱好者和工程师，带来自己工作中的一些技术经验总结，希望能够引发同行和学习者一些共鸣，如有不当，欢迎批评指正，共同进步。欢迎读者朋友在文章末尾点赞或收藏。

一、工程背景

直升机的旋翼是产生升力的部件，旋翼的本质是旋转的机翼，与固定翼飞机的机翼原理是类似的。

在悬停或者垂直飞行状态时，旋翼的桨叶和空气之间由于旋翼的旋转产生相对运动，桨叶的气流相对速度分布相对于旋翼中心是对称的，因此作用在旋翼各桨叶上的升力和阻力相对于旋翼中心也是对称的，通过变距铰来改变旋翼的总距，进而改变升力的大小。

在直升机前飞、侧飞、倒退飞行时，各桨叶上气流相对于旋翼的中心是不对称的，这个时候如果没有特殊的桨毂结构，就会产生升力的不平衡。直升机的旋翼桨毂通过周期变距来解决这些问题。

由于旋翼在前飞时运动规律非常复杂，因此在利用CFD软件进行数值仿真时，需要特别的技巧。

直升机旋翼桨毂结构原理图

二、案例描述

本案例教程对某一旋翼的前飞状态进行数值模拟：

前进比

，转速300RPM，挥舞角

，桨叶尖部到转轴距离3.6米,变距角:

其中

为旋翼的方位角，

为总距角。对于本教程中的几何模型，总距角为8。

旋翼几何模型

旋翼带有扭转

三、仿真思路

利用fluent软件求解了直升机旋翼前飞非定常流场。在fluent中，模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动的方法有许多种，动网格技术是其中的一种。但是动网格技术在应用时有许多限制，尤其是处理大变形时容易出现网格负体积报错的情况。

FLUENT嵌套网格（overset）克服了动网格容易出现负体积的问题，可以处理小间隙运动，这些运动方式可以是任意的，采用嵌套网格可以避免动网格带来的网格质量变差，负体积等情况，而且设置相对简单，可以有效的提高计算的效率。嵌套网格的缺点在于几何网格的处理和计算精度问题，计算精度是软件开发工程师需要考虑的问题，我们使用者只需要关注软件的使用。

为了避免动网格技术的缺陷，故而综合采用滑移网格、嵌套网格和UDF技术来实现仿真。采用这种技术，网格系统包含三个层次的网格:静止的背景网格, 相对于背景网格只有旋转运动的中间过渡网格, 相对于中间过渡网格只有周期性变距和挥舞的旋翼网格。

通过UDF技术来指定旋翼网格的运动来实现旋翼的变距与挥舞。

四、网格划分

需要划分三层两套网格，背景网格和中间过渡网格为一套网格，旋翼网格为一套网格。

背景的静止网格和旋转的中间过渡网格

中间过渡网格与旋翼网格

五、运动指定与求解

将划分好的前景网格和背景网格导入到fluent中进行求解设置，除了常规设置外，需要特别注意是旋翼网格区域overset边界的设置和背景静止网格与中间过渡网格的数据传递的interface面的设置。该案例的运动部件是旋翼，旋翼不仅仅要绕着整体转轴进行转动，还需要绕自身的转轴进行变距转动，这些运动都无法在fluent里面直接设置，为了表达旋翼的这种复杂运动，需要利用Define_Zone_Motion宏进行区域运动的指定。该宏能够指定每一时间步的转轴位置、转轴方向以及线速度和旋转角速度，Fluent利用这些参数更新旋翼动态区域的网格节点位置。