● 摘要
随着航空航天技术的发展，已经出现了各种各样的飞行器，对这些飞行器的复杂流动进行研究是目前正在热门讨论的问题。本文采用CFD（计算流体力学）方法，求解流场的N－S方程，对直升机和降落伞这两种典型的飞行器的复杂流动进行数值模拟。首先，通过在N－S方程中加入动量源项以代替桨叶作用的方法，对二维轴对称的涵道尾桨进行研究，模拟了直升机悬停和右侧飞时涵道尾桨的湍流场；然后，采用动量源项法，模拟了前飞旋翼的三维湍流场，讨论了旋翼正常前飞和贴地飞行时的流场和气动性能；最后，还有效地解决了降落伞稳定下降阶段的流场模拟和流固耦合问题。这些计算和分析，揭示了涵道尾桨、旋翼和降落伞的流场特性，可以成功地运用到直升机和降落伞的具体工程设计之中，因而具有重要的学术意义和应用价值。具体而言，论文的主要研究工作可归纳如下：（1）涵道尾桨的湍流分析和性能预测。使用动量源项法、湍流模型和壁面函数法，发展了一套可以研究二维涵道尾桨湍流场的数值计算方法，分析了直升机悬停和右侧飞时涵道尾桨的流场，对湍流、尾迹畸变和壁－涡干扰等复杂流动问题进行了讨论，并预测出涵道壁表面的静压分布，及涵道产生的拉力。结果表明：湍流模型的选取也是正确的，其比层流计算得到的结果更准确；直升机右侧飞时，在涵道壁和桨毂的下游侧面流动都有明显的分离，甚至在桨根区域也出现了分离流动；涵道进气缘的逆压很大，是产生涵道拉力的重要来源；随着总距角的增加，涵道拉力增加；随着总距角的增加，涵道拉力在涵道尾桨总拉力中所占比例增加，而与悬停相比，右侧飞时比例变小；随着飞行高度的增加，涵道尾桨的总拉力和功率都下降；直升机悬停时，在产生同样拉力的情况下，涵道尾桨消耗的功率大于常规尾桨的功率。（2）旋翼的湍流分析和性能预测。使用动量源项、湍流模型和壁面函数法，发展了一套可以研究三维旋翼湍流场的数值模拟方法，分析了直升机正常前飞和贴地飞行时不同飞行参数（如前进比、飞行高度）对旋翼流场的影响，对湍流、地面涡、桨尖涡系、二次涡偶、尾迹畸变、桨－涡干扰和壁－涡干扰等复杂流动问题进行了讨论，并预测出相应的旋翼性能。结果表明：湍流模型的选取是正确的，其比层流计算得到的结果更准确，随着前进比的减小，湍流的影响变大；正常前飞的直升机具有两个强的桨尖涡系，而高前进比时，在后行桨叶的桨根附近还会产生二次涡偶；正常前飞时，在前行桨叶区域的桨尖附近，桨叶载荷随方位角变化十分剧烈，而高前进比时，在后行桨叶的反流区附近出现负的桨叶载荷；贴地飞行时，随着前进比和飞行高度的增加，地面涡向下游移动，强度逐渐变弱，由于地面和地面涡的存在，旋翼周围的流场变得非常复杂；贴地飞行时，地面涡的存在、运动和强度变化，使桨盘各处诱导速度的变化趋势十分不同，对旋翼的气动性能产生很大影响，诱导速度随飞行高度的变化大于随前进比的变化。（3）降落伞稳定下降阶段的湍流模拟和流固耦合。把SIMPLER算法、湍流模型和壁面函数法结合起来，对降落伞稳定下降阶段的湍流场进行数值模拟，获得了伞衣内外表面的压力分布，从而可以实现降落伞稳定下降阶段的流固耦合。结果表明：在降落伞的流场中，其背风区存在两个巨大的旋涡，背风区的对称轴上出现负的轴向速度，伞衣内外表面上的压力系数沿子午线基本保持不变；在降落伞的流固耦合中，基于自主编写的流场分析程序PARAC，再结合老师的结构分析程序PASES，通过迭代反馈的方式，直至得到稳定的降落伞形状而完成流固耦合。