结冰粗糙度对旋翼气动特性影响的模拟研究

论文摘要

桨叶结冰会严重破坏旋翼气动性能,降低直升机的操纵性和稳定性,严重威胁直升机飞行安全,开展旋翼结冰机理及旋翼防/除冰相关问题的研究,具有重要的理论意义和实际价值。旋翼结冰时,桨叶表面不断堆积冰层,因为冰颗粒分布不均匀,形成了结冰粗糙度。这种粗糙度微元不仅会在局部范围内影响有关气动系数,也会继续影响后续旋翼结冰特性。因此,研究结冰现象以及结冰粗糙度对旋翼气动特性的影响具有研究的必要性。鉴于此,针对旋翼结冰数值模拟和结冰粗糙度影响的相关问题,开展了考虑结冰粗糙度的旋翼结冰计算分析。主要的研究工作包括:第一章,阐述了直升机旋翼结冰以及结冰粗糙度有关问题的研究背景,综述了直升机CFD方法、旋翼结冰数值模拟方法国内外研究现状,指出了目前研究仍存在的不足之处,提出了本文的研究内容及对应的研究方法。第二章,在网格生成上,发展了一套适用于旋翼非定常流场数值模拟的结构运动嵌套网格系统;针对结冰粗糙度引起的桨叶外形变化,发展了基于弹簧网格的桨叶网格重构方法;基于所建立的结构运动嵌套网格,构建了一套考虑结冰粗糙度的翼型/旋翼非定常流场数值模拟方法,为旋翼结冰预测及结冰粗糙度对旋翼气动特性的影响提供高精度的空气流场信息。第三章,在构建翼型/旋翼结冰数值模拟方法中,本章节发展了基于欧拉法的旋翼桨叶结冰表面三维水滴撞击特性求解方法;建立了翼型/旋翼结冰热力学模型与结冰预测方法;在旋翼CFD流场计算方法的基础上,开展了典型状态下翼型和旋翼悬停状态的结冰计算。第四章,开展了旋翼结冰特性的分析研究。基于建立的适合旋翼运动结冰计算方法,开展了典型翼型及桨叶结冰计算工作;针对旋翼结冰的影响因素,选取悬停状态分析了温度以及平均水滴直径对旋翼结冰的影响。第五章,开展了结冰粗糙度对翼型/旋翼气动特性的影响分析研究。对典型状态下的带有结冰粗糙度的翼型进行气动特性计算工作;针对结冰粗糙度的不同参数,分析计入粗糙度的翼型气动特性的影响;针对悬停状态,对带有结冰粗糙度的典型旋翼进行了气动特性计算和简要分析;基于前文的研究内容开展了典型状态下的带有结冰粗糙度的翼型结冰特性计算和分析研究。第六章,总结及后续研究工作。对论文的研究工作进行了总结,指出论文的创新点和新颖的结论,并提出了下一步需要开展的研究工作展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 飞机及旋翼结冰数值计算方法的进展
•     1.2.2 结冰表面粗糙度相关问题的研究现状
•   1.3 本文的解决方案及主要研究工作
• 第二章 网格生成与流场计算方法
•   2.1 引言
•   2.2 翼型网格生成方法及粗糙度生成策略
•     2.2.1 翼型网格生成控制方程
•     2.2.2 网格质量源项修正方法
•     2.2.3 粗糙度生成策略
•   2.3 桨叶参数化网格生成方法
•   2.4 运动嵌套网格方法
•   2.5 旋翼流场计算方法
•     2.5.1 流场控制方程
•     2.5.2 湍流模型
•     2.5.3 高精度空间离散方法
•     2.5.4 时间离散方法
•     2.5.5 边界条件
•   2.6 算例验证及对比
•     2.6.1 翼型试验状态算例验证
•     2.6.2 模拟结冰翼型的修改后NACA23012 翼型试验状态算例验证
•     2.6.3 悬停状态下旋翼算例验证
•   2.7 小结
• 第三章 结冰旋翼的数值模拟
•   3.1 引言
•   3.2 水滴撞击计算方法
•     3.2.1 水滴流场控制方程
•     3.2.2 边界条件
•     3.2.3 局部收集系数求解
•   3.3 结冰计算模型
•     3.3.1 质量及能量守恒方程
•     3.3.2 冻结系数的计算
•     3.3.3 各项热流的计算
•     3.3.4 对流换热系数的计算
•     3.3.5 结冰模型的求解流程
•   3.4 算例验证
•     3.4.1 二维翼型水滴撞击特性计算
•     3.4.2 二维翼型结冰特性计算
•     3.4.3 旋翼三维结冰预测方法计算结果
•   3.5 小结
• 第四章 结冰对翼型/旋翼气动特性的影响分析
•   4.1 引言
•   4.2 旋翼结冰特性研究
•   4.3 结冰对翼型气动特性的影响
•   4.4 悬停状态下结冰对旋翼气动特性的影响
•   4.5 小结
• 第五章 结冰粗糙度对翼型/旋翼气动特性的影响分析
•   5.1 引言
•   5.2 粗糙度的不同设置
•   5.3 带有结冰粗糙度的翼型气动特性影响分析
•   5.4 结冰粗糙度对翼型气动特性的参数影响分析
•     5.4.1 粗糙度微元尺寸影响
•     5.4.2 粗糙度微元位置影响
•     5.4.3 多个粗糙度微元的影响
•   5.5 结冰粗糙度对旋翼桨叶气动特性分析
•   5.6 结冰粗糙度对翼型结冰计算的影响分析
•   5.7 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文研究工作总结
•   6.2 本文的特色及创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈好

导师: 招启军

关键词: 旋翼,结冰,粗糙度,翼型,气动特性,数值模拟

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,航空航天科学与工程

单位: 南京航空航天大学

分类号: V211.52

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.001072

总页数: 77

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