垂直下降狀態下的旋翼三維流場數值模擬

曹 棟 曹義華

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100191)

眾所周知，直升機流場的數值模擬最困難的問題在于旋翼的流場模擬.之前較流行的旋翼流場計算分析主要專注于懸停和前飛，對下降狀態的旋翼流場模擬較少.因為下降的旋翼，當其處于渦環(vertex ring)狀態時［1］，由于來流速度朝上，遠處下游尾跡在旋翼的上方，旋翼誘導速度與相對氣流方向相反，兩股反向氣流相遇形成紊亂的漩渦.同時旋翼的槳尖渦不能被吹離旋翼而聚集在一起，旋翼排出的部分氣流又被吸入，繞旋翼外緣打轉，流態復雜且很不穩定.1982—2003年，3/4的直升機事故與進入渦環狀態有關［2］.

對直升機旋翼流場的數值模擬，通常采用兩種方法.一種是致力于模擬旋轉槳葉附近的細致流動，包括捕捉槳葉附近的激波，分析槳尖渦的形成過程等.一般需要在每片槳葉周圍生成貼體網格，將大部分網格點集中于槳葉附近，尤其是槳葉的邊界層內，這種方法可以準確得到槳葉附近的流動特性.不過為了提高遠場尾跡的計算精度也必須保證遠場的網格密度，這將導致網格數目過大，計算代價很高.而采用一些尾跡模型來求解也會存在一些問題，因為尾跡結構會隨著飛行條件和槳葉結構的改變而變化.對于垂直下降飛行，特別是渦環，湍流狀態時由于氣流對沖，很難有合適的尾跡模型能很好地描述.

本文采用另一種方法，將旋翼簡化為一無限薄激勵盤，忽略旋翼槳葉……