[发明专利]一种直升机旋翼/尾桨气动干扰数值仿真方法

摘要

本发明公开的直升机旋翼/尾桨气动干扰数值仿真方法，根据直升机相关参数建立了一种准确的旋翼/尾桨气动干扰的数值仿真模型，通过该数值仿真模型在各种状态下对旋翼/尾桨干扰流场进行CFD计算，并对比分析计算结果。本发明的数值仿真方法建立的旋翼/尾桨气动干扰的数值仿真模型在结果上更接近于实际的干扰结果。将不同的旋翼/尾桨参数输入到计算输入文件中，并进行计算，得出的干扰流场结果，就可以模拟直升机旋翼/尾桨在不同飞行状态的干扰情况，并避免了传统涡系方法中对旋翼/尾桨气动干扰进行计算而带来的误差，可直接服务于直升机设计、飞行性能计算以及飞行品质分析。

主权项

一种直升机旋翼/尾桨气动干扰数值仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：1)根据常规直升机的构型参数，确定旋翼和尾桨的展弦比以及相对位置，从而建立用于旋翼/尾桨气动干扰数值模拟的计算模型；2)生成相应的旋翼和尾桨网格；3)分别在悬停状态、低速前飞状态、中速前飞状态和高速前飞状态下，针对底向前和底向后尾桨、高位和低位尾桨，对旋翼/尾桨干扰流场进行CFD计算；所述CFD计算包括以下步骤：301)读入直升机计算参数、旋翼和尾桨桨叶贴体网格以及背景网格；302)对直升机旋翼和尾桨桨叶网格以及背景网格进行前处理；303)对旋翼和尾桨网格在背景网格中进行挖洞和贡献单元搜索，并将两者的嵌套关系进行储存；304)进行流场初始化；305)更新直升机旋翼和尾桨桨叶网格坐标；306)更新直升机旋翼和尾桨桨叶网格和背景网格之间的嵌套关系；307)进行Lynx直升机旋翼和尾桨桨叶网格上的流场计算，包括无粘通量、湍流模型、粘性通量计算以及LU‑SGS隐式时间推进，并更新背景网格上对应的洞边界单元的流场信息；在旋翼/尾桨干扰流场计算中采用N‑S方程作为主控方程：式中，W为守恒变量，F(W)和G(W)分别表示无粘通量和粘性通量；Vol表示任意单元体，dVol表示单元体Vol的体积，表示Vol的边界，dS表示上的面元；使用MUSCL格式对单元内流场变量进行重构，并采用低耗散的Roe格式进行空间离散，根据Roe格式，网格面上的无粘通量计算公式为：$F{\left(W\right)}_{ij}=\frac{1}{2}\[F\left(W_R\right)+F\left(W_L\right)-{\left|A_{Roe}\right|}_{ij}(W_R-W_L)\]---\left(2\right)$式中，(·)_ij表示网格面ij上的值，R和L分别表示网格面的左右两侧；选用Venkatakrishnan限制器：其中，Δ_l,min＝W_min‑W_i，Δ_l,max＝W_max‑W_i，而W_min和W_max为单元体i及其所有相邻单元中最小和最大流体变量值；l²为与网格尺度有关的控制变量；Δ₂定义为单元体i的流体变量沿格心到面心矢量的方向梯度；采用双时间法模拟干扰流场的非定常效应，引入伪时间，并对伪时间和物理时间导数分别进行差分处理，可得到：${\mathrm{Vom}}_i\frac{{\mathrm{\ΔW}}_i^{m+1}}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}=-{\mathrm{Vom}}_i\frac{3W_i^{m+1}-4W_i^n+W_i^{n-1}}{2\mathrm{\Δ}t}-R_i\left(W_i^m\right)---\left(4\right)$其中，m为伪时间步，n为物理时间步；Δτ为伪时间增量，Δt为物理时间增量；在双时间法中的伪时间步引入LU‑SGS隐式时间；无矩阵形式的LU‑SGS格式，具体计算方法可分为两个步骤：3071)向前扫略：${\mathrm{\ΔW}}_i^{*}=D^{-1}\[R_i^n-\underset{j:j\<i}{\mathrm{\Σ}}\left(\frac{1}{2}\right({\mathrm{\ΔF}}_j^{*}-\left|{\mathrm{\λ}}_{ij}\right|{\mathrm{\ΔW}}_j^{*}\left){\mathrm{\ΔS}}_{ij}\right)\]---\left(5\right)$3072)向后扫略：

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