● 摘要
现代旋翼机的设计对旋翼性能提出了很高的要求，不但要求旋翼在定常状态下要有良好的表现，同时要求在机动状态下也要有良好的性能。至今，针对定常状态的直升机旋翼空气动力学自由涡方法发展已经比较成熟，目前研究的重点是CFD在旋翼空气动力学中的应用以及高度非线性的机动旋翼空气动力学。对于机动状态下的旋翼空气动力学，目前还没有一个完善的计算模型，本文的选题是倾转旋翼过渡过程气动特性研究，其实质是旋翼机动过程的气动特性研究，本文针对一般情况下旋翼机动过程的计算建立模型，并发展了相应的数值计算方法。该模型是建立在自由涡方法基础上的，能够计算旋翼俯仰、滚转、旋翼总距变化等机动飞行状态。本文的工作主要包括以下几个部分： (1) 建立桨叶的一般挥舞模型 桨叶挥舞是旋翼空气动力学的一个重要特征，是旋翼空气动力学计算的一个重要内容。本文基于桨叶达朗贝尔原理，建立了适合于定常飞行和机动飞行状态的桨叶挥舞一般矢量模型，并发展了相应的数值计算方法。对于定常飞行状态，根据桨叶挥舞具有周期解的特点，采用周期迭代的方法进行求解；对于机动飞行状态，采用时间步进法进行求解，在每一个时间步中使用预估——多次校正的方法求解桨叶挥舞。 (2) 提出一种快速的定常状态自由尾迹计算方法 在旋翼气动力的计算中，桨叶挥舞、尾迹几何形状和环量相互耦合，需进行多次迭代才能求得收敛解，计算量大。本文发展了一种新的自由尾迹计算方法来减少计算时间，提高计算效率，并为旋翼机动计算提供了一个基础模型。该方法采用直接去除远尾迹发散速度分量的方法来增加尾迹的稳定性。和远尾迹外推法相比，本文的处理方法减少了远尾迹的圈数，从而减少了计算时间；同刚性远尾迹相比，由于这种处理允许轴向尾迹畸变，能够更真实的模拟实际的尾迹。 (3) 建立基于时间步进的自由尾迹机动计算模型 在前面工作的基础上，本文建立了基于时间步进的自由尾迹机动模型，并发展了相应的数值计算方法。本文假设机动飞行是从某种定常状态（悬停或定常前飞）开始的，首先使用前面的计算方法求得定常状态的旋翼尾迹、诱导速度场、桨叶环量以及桨叶挥舞的角度、角速度、角加速度等必需的参数，作为机动状态的初始值。在机动过程的每一个时间步中，使用预估——多次校正的方法计算桨叶挥舞、桨叶环量、尾迹结构等，预估——多次校正的方法可以得到更高精度的数值解。在机动计算过程中，保持尾迹的稳定是一个关键。计算表明，在悬停和小前进比飞行状态下的机动计算，容易出现尾迹发散的现象。考虑到实际飞行中，空气的粘性使得旋翼的远尾迹流场速度趋于均匀化，本文在远尾迹中加入人工阻尼，按照一定的方式对远尾迹诱导速度场进行均匀化处理，增加远尾迹的稳定性。对于大前进比飞行状态，来流增加了远尾迹的稳定性，直接使用时间步进法进行计算。由于本文提出的机动过程计算方法是基于时间步进的，没有对机动过程引入过多的假设，因而能够适用于一般机动飞行过程的计算。 (4) 对俯仰机动过程中旋翼拉力和桨叶挥舞进行了计算分析 运用本文建立的模型和数值方法，对旋翼俯仰过程中拉力的变化和桨叶挥舞响应进行了计算和分析，并与实验数据和其他文献的计算结果进行了对比。从悬停状态进入俯仰机动，机动过程中出现稳定的周期谐波项，旋翼锥度角基本不变。单片桨叶旋翼气动力随机动时间呈明显周期变化；对于两片桨叶旋翼，拉力在旋翼平面内的投影出现周期振荡，但幅值很小。两种情况下旋翼的平均拉力变化都不大，与悬停状态基本相同。从前飞状态进入俯仰机动，桨叶挥舞角响应在开始阶段迅速增加，然后逐渐减小，谐波项和零阶项均逐渐减小。在机动过程中，单片桨叶的拉力出现较大幅值周期变化；两片桨叶的旋翼在机动开始阶段周期振荡幅值较大，但随着时间增加，振荡幅值减小。随着机动时间增加，旋翼拉力逐渐减小，这与旋翼轴向如流逐渐增大有关。 (5) 自由尾迹计算影响因素分析 在自由尾迹计算中，有较多的因素会影响到计算结果的准确性。本文对桨叶离散段数、模拟桨叶的涡网格数目、自由尾迹的圈数等因素对计算结果的影响进行了系统的计算和分析，并给出了处理建议。涡核模型是影响自由尾迹数值计算的一个重要因素，涡核模型的引入可以避免诱导速度计算中出现的数值问题，同时对于诱导速度的分布也有重要影响，本文对涡核半径的选取给出了建议。 (6) 其他机动实例的计算和分析 对前飞状态下的滚转机动、悬停状态下增加总距、前飞状态下增加总距的飞行状态进行了计算，对机动过程中的桨叶挥舞响应和旋翼气动力变化进行了分析，通过算例说明了本文挥舞模型、机动尾迹模型和数值计算方法能够对一般的旋翼机动进行计算。