低雷諾數(shù)下微型旋翼流場(chǎng)的數(shù)值模擬

低雷諾數(shù)下微型旋翼流場(chǎng)的數(shù)值模擬

1擾動(dòng)風(fēng)作用下的氣動(dòng)響應(yīng)干擾風(fēng)會(huì)給飛機(jī)帶來(lái)額外的負(fù)荷，使飛機(jī)的氣動(dòng)性能發(fā)生不穩(wěn)定的變化，嚴(yán)重時(shí)飛機(jī)的飛機(jī)效率會(huì)下降。當(dāng)下微型無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,因其尺寸小,常常處于低雷諾數(shù)下飛行,擾動(dòng)風(fēng)對(duì)其氣動(dòng)性能的影響尤為突出。正是由于擾動(dòng)風(fēng)對(duì)飛行器氣動(dòng)性能的影響不能忽視,研究擾動(dòng)風(fēng)作用下的飛行器空氣動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題的學(xué)者也越來(lái)越多,2007年,詹浩等彈性機(jī)翼通過(guò)自身的振動(dòng)改變了原先的流動(dòng)結(jié)構(gòu),從而達(dá)到了削減擾動(dòng)風(fēng)影響的目的,從本質(zhì)上說(shuō),這就是一種被動(dòng)的流動(dòng)控制,因而其作用受到擾動(dòng)風(fēng)頻率、大小以及機(jī)翼的彈性響應(yīng)等諸多因素的限制,有時(shí)起不到對(duì)擾動(dòng)風(fēng)的反制作用。由彈性機(jī)翼陣風(fēng)響應(yīng)的研究經(jīng)驗(yàn)可知,幾何構(gòu)形的改變或運(yùn)動(dòng)陣風(fēng)的作用十分顯著。本文的研究也將流動(dòng)控制措施選擇為部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式,采用旋翼槳葉的周期性變距運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)風(fēng)的主動(dòng)控制。本文采用了網(wǎng)格速度方法對(duì)擾動(dòng)風(fēng)進(jìn)行建模,對(duì)截面翼型為NACA0012的三維旋翼進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值研究中,選擇三維非定常N-S方程作為流場(chǎng)控制方程,空間上使用中心平均的有限體積法離散,時(shí)間方向上使用雙時(shí)間法,湍流模型采用Baldwin-Lomax模型2數(shù)值方法2.1雙時(shí)間推進(jìn)方法采用有限體積積分的N-S方程:式中f式中ρ,(u,v,w),E,H,p和T分別為流體的密度、速度q在絕對(duì)坐標(biāo)系下的3個(gè)分量、總能、總晗、壓強(qiáng)和溫度,q和q時(shí)間離散上,本文采用含有子迭代過(guò)程的雙時(shí)間推進(jìn)方法。在子迭代過(guò)程采用一種高效的隱式LU-SSOR方法,并且使子迭代過(guò)程成為Newton迭代,來(lái)提高復(fù)雜非定常粘性流動(dòng)的計(jì)算效率。2.2擾動(dòng)風(fēng)的模擬為了很好地模擬微型飛行器飛行過(guò)程中的擾動(dòng)風(fēng)環(huán)境,假設(shè)同一時(shí)刻在計(jì)算區(qū)域中擾動(dòng)風(fēng)具有同步性,即擾動(dòng)只是時(shí)間的函數(shù)。本文使用網(wǎng)格速度方法模擬擾動(dòng)風(fēng)。網(wǎng)格速度方法是根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的思想提出的,即用網(wǎng)格速度間接代替飛行器所受到的擾動(dòng)風(fēng),在所有網(wǎng)格點(diǎn)上附加一個(gè)與擾動(dòng)風(fēng)速度大小相同但方向相反的速度,但網(wǎng)格區(qū)域的點(diǎn)在空間上不具有因?yàn)榫W(wǎng)格速度引起的位置變化。網(wǎng)格速度方法很好地解決了以前模擬擾動(dòng)風(fēng)時(shí)直接賦予擾動(dòng)邊界條件或者賦予一個(gè)攻角變化帶來(lái)的數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定問(wèn)題,使得在擾動(dòng)風(fēng)環(huán)境下飛行器的氣動(dòng)力非定常響應(yīng)數(shù)值模擬更具靈活性和精確性。2.3動(dòng)態(tài)網(wǎng)格網(wǎng)格設(shè)置本文研究的幾何構(gòu)型為兩葉旋翼,截面為NACA0012翼型,展弦比為6∶1,安裝角為6°。采用動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格布局和生成。動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格設(shè)置為:背景網(wǎng)格為一個(gè)套在過(guò)渡網(wǎng)格與旋翼網(wǎng)格外的固定大網(wǎng)格,旋翼上采用動(dòng)態(tài)貼體網(wǎng)格,固連于旋翼在背景網(wǎng)格上一起運(yùn)動(dòng),另外在背景網(wǎng)格與旋翼上動(dòng)態(tài)網(wǎng)格之間還存在一層過(guò)渡網(wǎng)格,方便尋點(diǎn)進(jìn)行尋點(diǎn)插值運(yùn)算。本研究采用了洞邊界建立的HoleMap方法圖1給出了旋翼系統(tǒng)的空間布局結(jié)構(gòu),背景網(wǎng)格網(wǎng)格數(shù)為52×62×52;過(guò)渡網(wǎng)格網(wǎng)格數(shù)為60×40×100;剛性旋翼網(wǎng)格為C型網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為84×30×70。3氣動(dòng)陣風(fēng)下多自由度氣動(dòng)模型由于飛行器在飛行過(guò)程中受到擾動(dòng)風(fēng)影響最敏感的方向是垂直于來(lái)流方向,因此本研究對(duì)該方向的奧東風(fēng)進(jìn)行研究。將擾動(dòng)風(fēng)函數(shù)表示為可以得到網(wǎng)格速度的函數(shù)為式中V式中U低雷諾數(shù)飛行條件參數(shù):翼尖馬赫數(shù)M圖2為相同振幅、不同頻率的擾動(dòng)風(fēng)作用下,旋翼拉力系數(shù)隨S=ω從圖2可以看出,旋翼拉力系數(shù)響應(yīng)曲線的頻率隨著擾動(dòng)風(fēng)波動(dòng)頻率的變化而變化,成正比例關(guān)系。從圖3可以看出,擾動(dòng)風(fēng)函數(shù)速度幅值越大,旋翼拉力系數(shù)響應(yīng)曲線的波動(dòng)強(qiáng)度越大,同樣也成正比例關(guān)系。4截面周期變化采取旋翼槳葉周期性變距運(yùn)動(dòng)的形式對(duì)無(wú)擾動(dòng)風(fēng)環(huán)境飛行的旋翼流場(chǎng)的氣動(dòng)性能進(jìn)行試探性研究。其中旋翼的變距方程與上面的擾動(dòng)風(fēng)速度方程具有相同形式,旋翼槳葉截面采取繞截面1/4弦長(zhǎng)處做周期性擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),依靠變形網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)。旋翼截面周期性變距運(yùn)動(dòng)的攻角變化函數(shù)形式為式中a飛行參數(shù)條件:翼尖馬赫數(shù)和雷諾數(shù)分別為M算例1、2條件分別為圖4給出了算例1、2在無(wú)擾動(dòng)風(fēng)環(huán)境條件下,旋翼槳葉做周期性等角變距運(yùn)動(dòng),旋翼拉力系數(shù)隨無(wú)量時(shí)間S=ω從圖4可以看出,旋翼槳葉做周期性變距運(yùn)動(dòng)能使旋翼拉力系數(shù)曲線呈周期性變化運(yùn)動(dòng),頻率與周期性變距運(yùn)動(dòng)角頻率成正比,而幅值與旋翼槳葉繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心擺動(dòng)角度變化幅值并無(wú)明確關(guān)系,并且其與同頻率擾動(dòng)風(fēng)作用下旋翼拉力系數(shù)響應(yīng)曲線具有相似的變化規(guī)律,只是它們之間存在一定的相位和幅值差別。證明選取適當(dāng)幅值與頻率的旋翼槳葉變距運(yùn)動(dòng),能夠?qū)φ沂綌_動(dòng)風(fēng)起到流動(dòng)控制的作用。5旋轉(zhuǎn)周期各相位的cp分布算例3飛行條件參數(shù):翼尖馬赫數(shù)M圖5可以看出,由于采取槳葉的周期性變距運(yùn)動(dòng),旋翼截面r/R=0.843上,處于一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的不同相位處的Cp分布幾乎保持一致。如圖6所示,針對(duì)正弦形式的擾動(dòng)風(fēng),旋翼槳葉采取適當(dāng)?shù)牡冉亲兙噙\(yùn)動(dòng)可以使擾動(dòng)風(fēng)環(huán)境下旋翼的氣動(dòng)響應(yīng)曲線波動(dòng)得到有效的抑制。6擾動(dòng)風(fēng)的作用本工作雖然模型比較簡(jiǎn)單,依然得到3條重要的結(jié)論。(1)動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)、變形網(wǎng)格和雙時(shí)間法在處理物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的非定常流體力學(xué)問(wèn)題非常有效。(2)