【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于流場(chǎng)數(shù)值模擬方法領(lǐng)域，具體涉及一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法。
技術(shù)介紹
1、準(zhǔn)確模擬旋翼翼型的非定常流場(chǎng)及其氣動(dòng)力特性對(duì)旋翼翼型的設(shè)計(jì)非常重要。然而對(duì)于旋翼類飛行器，由于直升機(jī)前飛時(shí)，旋翼的槳葉運(yùn)動(dòng)包含揮舞、擺振、周期變距等多種運(yùn)動(dòng)模式耦合，呈現(xiàn)出高度的復(fù)雜性，運(yùn)動(dòng)建模難度大；此外，轉(zhuǎn)捩和分離是旋翼流場(chǎng)中兩個(gè)重要的流動(dòng)現(xiàn)象，一直以來都是計(jì)算流體力學(xué)(cfd)中的難點(diǎn)問題。而數(shù)值模擬想要準(zhǔn)確對(duì)旋翼進(jìn)行非定常氣動(dòng)特性分析，必須對(duì)槳葉復(fù)雜運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)捩和流動(dòng)分離進(jìn)行準(zhǔn)確建模。
2、現(xiàn)有的旋翼翼型流場(chǎng)數(shù)值模擬方法，針對(duì)槳葉復(fù)雜運(yùn)動(dòng)建模，主要手段是采用嵌套網(wǎng)格方法，即分別生成繞槳葉的貼體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格和靜止的背景網(wǎng)格，通過定義運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格在背景網(wǎng)格中的運(yùn)動(dòng)形式來對(duì)槳葉進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，然后通過挖洞計(jì)算獲得運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格和背景網(wǎng)格的重疊部分以及插值關(guān)系，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非定常cfd計(jì)算獲得旋翼的非定常流場(chǎng)及其氣動(dòng)力特性，該方法精度好，但是該方法建模過程復(fù)雜，且一方面，分開生成運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格和靜止網(wǎng)格進(jìn)行重疊導(dǎo)致網(wǎng)格量大，另一方面，非定常計(jì)算每個(gè)時(shí)間步槳葉運(yùn)動(dòng)到新的位置都需要重新挖洞計(jì)算確定插值關(guān)系，上述兩個(gè)原因?qū)е掠?jì)算效率低。
3、對(duì)于同時(shí)存在邊界層轉(zhuǎn)捩和后緣分離的流動(dòng)，轉(zhuǎn)捩會(huì)明顯影響下游的分離狀態(tài)。雖然近幾十年cfd技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但對(duì)于同時(shí)存在轉(zhuǎn)捩和下游分離的問題，目前仍沒有成熟的解決辦法。近年來，轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)與分離預(yù)測(cè)的方法并行發(fā)展，在各自領(lǐng)域均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。
4、現(xiàn)有的轉(zhuǎn)捩計(jì)算方式主要包括四類：(1)直
5、現(xiàn)有的分離流動(dòng)的計(jì)算方法主要包括urans方法、les方法和混合rans/les方法。其中，urans方法在邊界層內(nèi)計(jì)算量小，但是在分離流動(dòng)中湍流分辨能力弱；les方法在分離流動(dòng)中湍流分辨能力好，但是在邊界層內(nèi)計(jì)算量大；混合rans/les方法與rans轉(zhuǎn)捩模式耦合的方法既可以發(fā)揮rans轉(zhuǎn)捩模型高精度、低計(jì)算量預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)捩的能力，也可以發(fā)揮les在分離區(qū)高精度湍流分辨的優(yōu)勢(shì)，能夠解決同時(shí)存在轉(zhuǎn)捩和下游分離的問題。目前，現(xiàn)有的耦合方法通常直接利用模型的γ量控制湍動(dòng)能方程的生成項(xiàng)和破壞項(xiàng)，達(dá)到在轉(zhuǎn)捩后的湍流邊界層和邊界層外采用混合rans/les方法。這種耦合方法程序?qū)崿F(xiàn)容易，但混合rans/les方法的使用區(qū)域受壁面距離和網(wǎng)格密度影響較大，常會(huì)造成在遠(yuǎn)場(chǎng)、層流邊界層外等不存在大尺度湍流脈動(dòng)區(qū)域使用les的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)捩問題對(duì)來流狀態(tài)及邊界層外的流動(dòng)狀態(tài)非常敏感，這種隨網(wǎng)格密度變化的rans、les劃分給計(jì)算引入大量不確定因素。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，旋翼翼型非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析中，嵌套網(wǎng)格方法建模過程復(fù)雜計(jì)算效率低、模型和混合rans/les方法模擬旋翼流場(chǎng)的轉(zhuǎn)捩和分離流動(dòng)精度不高的問題，本專利技術(shù)提出了一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，采用變來流馬赫數(shù)的方式對(duì)槳葉的擺振進(jìn)行建模，以變迎角的方式對(duì)槳葉的周期變距進(jìn)行建模，以整體網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的形式對(duì)槳葉揮舞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，有效降低建模難度提高計(jì)算效率；采用ddes模型和轉(zhuǎn)捩模型進(jìn)行耦合獲得耦合模型，能夠保持較高的轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)精度和對(duì)分離流動(dòng)的模擬能力，對(duì)旋翼翼型非定常流場(chǎng)及氣動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)精確模擬。
2、本專利技術(shù)所提供的技術(shù)方案是：
3、所述一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，包括如下步驟：
4、步驟1：針對(duì)計(jì)算翼型生成計(jì)算網(wǎng)格，并設(shè)定邊界條件；
5、步驟2：基于直升機(jī)前飛的飛行工況，基于步驟1獲得的網(wǎng)格，對(duì)槳葉的擺振、周期變距、揮舞耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模；
6、步驟3：基于ddes模型和轉(zhuǎn)捩模型，構(gòu)建tddes(transition?ddes)耦合模型；
7、步驟4：基于步驟1得到的網(wǎng)格、步驟2建立的槳葉運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、步驟3建立的tddes耦合模型，求解非定常雷諾平均ns(unsteady?reynolds-averaged?navier-stokes，urans)方程得旋翼翼型的流場(chǎng)及非定常氣動(dòng)力系數(shù)。
8、進(jìn)一步的，所述步驟1具體為：
9、圍繞二維翼型生成o型網(wǎng)格，取40倍翼型弦長(zhǎng)作為計(jì)算域遠(yuǎn)場(chǎng)的邊界，并在前后緣區(qū)域進(jìn)行加密；將網(wǎng)格沿展向拉伸至1倍翼型弦長(zhǎng)，展向僅設(shè)置兩個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，即保證展向?yàn)橐粋€(gè)網(wǎng)格單元；將所得o型網(wǎng)格分為若干塊，用于適配mpi并行計(jì)算，獲得最終計(jì)算網(wǎng)格；將翼型表面設(shè)為無滑移壁面，將計(jì)算域遠(yuǎn)場(chǎng)邊界設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，將展向的兩個(gè)面設(shè)為對(duì)稱面。
10、進(jìn)一步的，所述步驟2具體包含如下子步驟：
11、步驟2.1：擺振運(yùn)動(dòng)建模；
12、將翼型視為靜止，通過周期性改變來流速度模擬槳葉的擺振運(yùn)動(dòng)，具體的：假設(shè)直升機(jī)旋翼旋轉(zhuǎn)速度和前飛速度的疊加，槳葉周向來流速度會(huì)隨著方位角發(fā)生簡(jiǎn)諧變化，通過在來流平均速度基礎(chǔ)上疊加正弦周期變化來描述來流速度的簡(jiǎn)諧變化，任意時(shí)間t的來流馬赫數(shù)ma(t)的具體表達(dá)式如下：
13、ma(t)＝ma0+ma1?sin(2πf1t)
14、其中，ma0為自由來流平均馬赫數(shù)，通過自由來流速度確定；ma1為自由來流脈動(dòng)馬赫數(shù)，通過翼型所在槳葉位置的旋轉(zhuǎn)速度獲得,f1為擺振正弦運(yùn)動(dòng)頻率，ma1和f1根據(jù)飛行工況設(shè)定；
15、步驟2.2：周期變距運(yùn)動(dòng)建模；
16、將翼型視為靜止，通過周期性改變翼型迎角模擬槳葉的周期變距運(yùn)動(dòng)，具體的：將翼型1/4弦長(zhǎng)處作為俯仰軸，周期變距可視為翼型繞其俯仰軸做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，通過在平均迎角基礎(chǔ)上疊加正弦周期變化來描述迎角的簡(jiǎn)諧變化，任意時(shí)間t的迎角α(t)的具體表達(dá)式如下：
17、
18、
19、其中，α0為平均迎角，通過翼型所在槳葉位置的槳距獲得；αm為做周期變距運(yùn)動(dòng)時(shí)迎角變化的振幅；k為翼型的縮減頻率；ω為翼型的振蕩頻率；c為翼型的弦長(zhǎng)；v∞為自由來流速度；為翼型周期變距運(yùn)動(dòng)與擺振運(yùn)動(dòng)的相位差；αm、k和根據(jù)飛行工況設(shè)定；
20、步驟2.3：揮舞運(yùn)動(dòng)建模；
21、將翼型及繞翼型的網(wǎng)格整體視為運(yùn)動(dòng)，通過周期性改變翼型及整體網(wǎng)格的縱向位置模擬槳葉的揮舞運(yùn)動(dòng)，具體的：假設(shè)揮舞運(yùn)動(dòng)為與周期變距運(yùn)動(dòng)形式相同的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，以翼型1/4弦長(zhǎng)處的參考點(diǎn)作為力矩參考點(diǎn)，任意時(shí)間t的力矩參考點(diǎn)縱坐標(biāo)y(t)的具體表達(dá)式如下：
22、
23、其中，y0是翼型做揮舞本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，其特征在于：包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，其特征在于：所述步驟1具體為：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，其特征在于：所述步驟2具體包含如下子步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，其特征在于：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，其特征在于：包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非定常氣動(dòng)特性數(shù)值分析建模方法，其特征在于：所述步驟1具體為：
3...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙歡，邢浩楠，甘科耀，甘雨杰，王攝昆，龔志園，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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