低雷诺数下微型旋翼流场的数值模拟

低雷诺数下微型旋翼流场的数值模拟

1扰动风作用下的气动响应干扰风会给飞机带来额外的负荷，使飞机的气动性能发生不稳定的变化，严重时飞机的飞机效率会下降。当下微型无人机技术发展迅速,因其尺寸小,常常处于低雷诺数下飞行,扰动风对其气动性能的影响尤为突出。正是由于扰动风对飞行器气动性能的影响不能忽视,研究扰动风作用下的飞行器空气动力学响应问题的学者也越来越多,2007年,詹浩等弹性机翼通过自身的振动改变了原先的流动结构,从而达到了削减扰动风影响的目的,从本质上说,这就是一种被动的流动控制,因而其作用受到扰动风频率、大小以及机翼的弹性响应等诸多因素的限制,有时起不到对扰动风的反制作用。由弹性机翼阵风响应的研究经验可知,几何构形的改变或运动阵风的作用十分显著。本文的研究也将流动控制措施选择为部件的机械运动方式,采用旋翼桨叶的周期性变距运动来实现对扰动风的主动控制。本文采用了网格速度方法对扰动风进行建模,对截面翼型为NACA0012的三维旋翼进行数值模拟。数值研究中,选择三维非定常N-S方程作为流场控制方程,空间上使用中心平均的有限体积法离散,时间方向上使用双时间法,湍流模型采用Baldwin-Lomax模型2数值方法2.1双时间推进方法采用有限体积积分的N-S方程:式中f式中ρ,(u,v,w),E,H,p和T分别为流体的密度、速度q在绝对坐标系下的3个分量、总能、总晗、压强和温度,q和q时间离散上,本文采用含有子迭代过程的双时间推进方法。在子迭代过程采用一种高效的隐式LU-SSOR方法,并且使子迭代过程成为Newton迭代,来提高复杂非定常粘性流动的计算效率。2.2扰动风的模拟为了很好地模拟微型飞行器飞行过程中的扰动风环境,假设同一时刻在计算区域中扰动风具有同步性,即扰动只是时间的函数。本文使用网格速度方法模拟扰动风。网格速度方法是根据相对运动的思想提出的,即用网格速度间接代替飞行器所受到的扰动风,在所有网格点上附加一个与扰动风速度大小相同但方向相反的速度,但网格区域的点在空间上不具有因为网格速度引起的位置变化。网格速度方法很好地解决了以前模拟扰动风时直接赋予扰动边界条件或者赋予一个攻角变化带来的数值计算的不稳定问题,使得在扰动风环境下飞行器的气动力非定常响应数值模拟更具灵活性和精确性。2.3动态网格网格设置本文研究的几何构型为两叶旋翼,截面为NACA0012翼型,展弦比为6∶1,安装角为6°。采用动态嵌套网格技术进行网格布局和生成。动态嵌套网格设置为:背景网格为一个套在过渡网格与旋翼网格外的固定大网格,旋翼上采用动态贴体网格,固连于旋翼在背景网格上一起运动,另外在背景网格与旋翼上动态网格之间还存在一层过渡网格,方便寻点进行寻点插值运算。本研究采用了洞边界建立的HoleMap方法图1给出了旋翼系统的空间布局结构,背景网格网格数为52×62×52;过渡网格网格数为60×40×100;刚性旋翼网格为C型网格,网格数为84×30×70。3气动阵风下多自由度气动模型由于飞行器在飞行过程中受到扰动风影响最敏感的方向是垂直于来流方向,因此本研究对该方向的奥东风进行研究。将扰动风函数表示为可以得到网格速度的函数为式中V式中U低雷诺数飞行条件参数:翼尖马赫数M图2为相同振幅、不同频率的扰动风作用下,旋翼拉力系数随S=ω从图2可以看出,旋翼拉力系数响应曲线的频率随着扰动风波动频率的变化而变化,成正比例关系。从图3可以看出,扰动风函数速度幅值越大,旋翼拉力系数响应曲线的波动强度越大,同样也成正比例关系。4截面周期变化采取旋翼桨叶周期性变距运动的形式对无扰动风环境飞行的旋翼流场的气动性能进行试探性研究。其中旋翼的变距方程与上面的扰动风速度方程具有相同形式,旋翼桨叶截面采取绕截面1/4弦长处做周期性摆动运动,依靠变形网格技术实现。旋翼截面周期性变距运动的攻角变化函数形式为式中a飞行参数条件:翼尖马赫数和雷诺数分别为M算例1、2条件分别为图4给出了算例1、2在无扰动风环境条件下,旋翼桨叶做周期性等角变距运动,旋翼拉力系数随无量时间S=ω从图4可以看出,旋翼桨叶做周期性变距运动能使旋翼拉力系数曲线呈周期性变化运动,频率与周期性变距运动角频率成正比,而幅值与旋翼桨叶绕转动中心摆动角度变化幅值并无明确关系,并且其与同频率扰动风作用下旋翼拉力系数响应曲线具有相似的变化规律,只是它们之间存在一定的相位和幅值差别。证明选取适当幅值与频率的旋翼桨叶变距运动,能够对正弦式扰动风起到流动控制的作用。5旋转周期各相位的cp分布算例3飞行条件参数:翼尖马赫数M图5可以看出,由于采取桨叶的周期性变距运动,旋翼截面r/R=0.843上,处于一个旋转周期的不同相位处的Cp分布几乎保持一致。如图6所示,针对正弦形式的扰动风,旋翼桨叶采取适当的等角变距运动可以使扰动风环境下旋翼的气动响应曲线波动得到有效的抑制。6扰动风的作用本工作虽然模型比较简单,依然得到3条重要的结论。(1)动态嵌套网格技术、变形网格和双时间法在处理物体间有相对运动的非定常流体力学问题非常有效。(2)