扰动风作用下微型旋翼流场数值模拟及其流动控制研究

作     者：赵贺 

作者单位：上海大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李孝伟

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：扰动风 微型旋翼 流动控制 滑移网格技术 ALE方法 

摘      要：低雷诺数下飞行的微型飞行器，易受到阵风、突风等极端环境的影响，因其所受到的空气动力发生突变而出现剧烈的颠簸甚至发生倾覆。如何提高微型飞行器在扰动风环境下平稳飞行的能力,仍是现今微型飞行器实用化过程中面临的主要技术难题。本文从流动控制的角度出发，采用数值模拟的方法，对正弦式扰动风作用下微型旋翼式飞行器的流场及旋翼桨叶的周期性变距运动对扰动风的控制规律进行了研究。主要工作包括: 1、针对旋翼转动以及桨叶变距运动的复杂运动系统，研究和发展了一种多层滑移网格技术。其主要思想是，将Navier-Stokes方程采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)形式进行描述且计算网格采用结构和非结构混合网格布局后，可以分层次设定计算网格。第一层网格固连在桨叶上一起作变距运动，第二层网格作旋转运动，其转动方式与旋翼的转动方式相同，第三层网格为一静止的大网格。在第一层网格的外边界与第二层网格的内边界间、第二层网格的外边界与第三层网格的内边界间均可以相对滑动。与动态嵌套网格技术相比，该多层滑移网格技术一样具备精细刻画局部流场和描述部件间相对运动的能力，但却可以省去繁复的网格间关系的建立过程。 2、研究和发展了一种模拟扰动风的网格速度方法。其思想是，根据相对运动的原理，网格以与扰动风速度大小相等方向相反的速度运动，等同于扰动风的作用。研究中根据微型旋翼尺寸以及扰动风分布特点，认为同一时刻在计算域中的扰动风具有同步性，即扰动风只是时间的函数，与空间无关。在此假定的基础上，采用网格速度方法描述扰动风的作用会变得简单易操作，数值算例也证明了它的有效性。 3、结合以上数值技术,研究了正弦式扰动风环境下的微型单旋翼和共轴式微型双旋翼的气动性能和流动控制问题。结果表明：(a)两种旋翼在周期性扰动风作用下的拉力响应曲线均具有周期性，其波动频率和幅值分别与扰动风频率和幅值成正比例关系;(b)采用周期等角变距主动流动控制方式，能够找到适合的控制参数可以使得两种旋翼在周期性扰动风环境中的拉力波动幅度均得到有效的抑制。