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轴流状态对转螺旋桨气动性能高效预测方法

航空动力学报 2024年第4期39卷 31-41页

作者：原昕招启军赵国庆南京航空航天大学航空学院直升机旋翼动力学国家级重点实验室南京210016

提出了一套适用于共轴对转螺旋桨轴流状态的高效气动性能预测方法。为消除大入流角状态下小角度假设引入的误差,应用了精确的气动力分解模型与Prandtl桨尖损失函数;根据对转系统的桨尖涡演化规律,发展了轴流状态的尾迹叠加模型,构建了... 详细信息

提出了一套适用于共轴对转螺旋桨轴流状态的高效气动性能预测方法。为消除大入流角状态下小角度假设引入的误差,应用了精确的气动力分解模型与Prandtl桨尖损失函数;根据对转系统的桨尖涡演化规律,发展了轴流状态的尾迹叠加模型,构建了考虑前后桨之间轴向相互气动干扰和前桨对后桨的周向诱导的干扰模式;进而建立起了基于入流角求解的共轴对转螺旋桨的气动性能预测方法。使用该方法计算了对转螺旋桨在不同前飞速度下气动性能随前进比的变化,结果表明非失速段的拉力和功率消耗的预测结果与试验值一致性良好,整体推进效率与试验值吻合。通过对孤立高速螺旋桨、共轴双旋翼以及对转螺旋桨气动性能的评估,表明与采用小角度假设、忽略双桨间的部分干扰并基于入流比求解的常规气动模型相比,该方法对共轴对转螺旋桨的拉力、功率消耗和推进效率的预测更可靠。

关键词：对转螺旋桨气动性能动量—叶素理论(BEMT) 尾迹叠加气动干扰

地效环境下悬停状态直升机旋翼桨/涡干扰噪声特性

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航空学报 2024年第12期45卷 67-81页

作者：王伟琪陈希招启军南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室南京210016

为掌握直升机贴地飞行时旋翼噪声辐射特性,首先基于可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程和Ffowcs Williams-Hawkings方程发展了一套适用于地效状态旋翼/机身干扰的气动与噪声分析方法,通过Lynx尾桨地面效应试验及NASA旋翼/机身干扰试验与... 详细信息

为掌握直升机贴地飞行时旋翼噪声辐射特性,首先基于可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程和Ffowcs Williams-Hawkings方程发展了一套适用于地效状态旋翼/机身干扰的气动与噪声分析方法,通过Lynx尾桨地面效应试验及NASA旋翼/机身干扰试验与计算结果的对比,验证了所建立方法的可靠性。然后,开展了机身和桨毂对旋翼流场的影响研究,发现机身改变了旋翼的气动载荷分布并提高中等阶次(8~12阶次)的噪声辐射水平;桨毂会削弱桨叶中段(r=0.4R~0.7R,R为旋翼半径)的噪声贡献。最后,研究了不同离地高度(h)时旋翼的气动与噪声特性,发现存在一个出现桨/涡干扰噪声的“临界离地高度”。结果表明:旋翼拉力和机身升力随h增大而减小;当h>1.8R时地面效应的影响可以忽略;当h=0.6R时地面和机身的双重阻塞作用会改变旋翼入流情况,尤其在桨尖区域诱发剧烈的载荷波动,并在特征观测点接收到明显的桨/涡干扰噪声;根据时/频特性给出了本文的“临界离地高度”约为0.7R,为直升机贴地飞行时抑制噪声提供了参考。

关键词：旋翼气动噪声 FW-H方程旋翼/机身干扰地面效应桨/涡干扰噪声

基于UNet的翼型可压缩流场机器学习推理方法

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南京航空航天大学学报 2024年第2期56卷 253-263页

作者：朱智杰赵国庆高远招启军南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室南京210016

为进一步提升高雷诺数、大迎角(Angle of attack,AoA)和高马赫数下的翼型可压缩流场预测精度和效率,本文提出了一种基于坐标转换方法和UNet神经网络的机器学习推理方法。首先,提出了用于数据前处理的坐标转换方法,将计算流体力学中的物... 详细信息

为进一步提升高雷诺数、大迎角(Angle of attack,AoA)和高马赫数下的翼型可压缩流场预测精度和效率,本文提出了一种基于坐标转换方法和UNet神经网络的机器学习推理方法。首先,提出了用于数据前处理的坐标转换方法,将计算流体力学中的物理量和网格信息转换成神经网络空间信息,使流场信息的分布更符合神经网络的输入要求。其次,建立了新型深度UNet神经网络,使模型学习到翼型流场精细复杂的局部流动特征。本文将两种方法结合,建立了翼型可压缩流场机器学习推理方法,得到快速高精度的推理模型。最后,对不同种类翼型的流场与气动力进行预测分析,并与传统机器学习方法预测的结果进行比较。结果表明,本文提出的机器学习推理方法能够较好地预测翼型的可压缩流场,并且能够更好地捕捉高雷诺数下的复杂流动行为以及预测大迎角、高马赫数条件下的流动分离和激波现象。

关键词： UNet 机器学习坐标转换翼型流动分离激波

共轴刚性旋翼高速直升机前飞性能操纵策略影响

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航空学报 2024年第9期45卷 51-64,I0001页

作者：崔壮壮原昕赵国庆井思梦招启军南京航空航天大学航空宇航学院南京210016

应用前行桨叶概念的共轴刚性旋翼高速直升机具有较高的最大飞行速度,但共轴刚性旋翼与推力桨的配合带来了操纵冗余问题,本文以提升高速直升机飞行性能为目标,开展了旋翼/推力桨操纵策略影响分析。首先,建立了一套用于共轴刚性旋翼、推... 详细信息

应用前行桨叶概念的共轴刚性旋翼高速直升机具有较高的最大飞行速度,但共轴刚性旋翼与推力桨的配合带来了操纵冗余问题,本文以提升高速直升机飞行性能为目标,开展了旋翼/推力桨操纵策略影响分析。首先,建立了一套用于共轴刚性旋翼、推力桨与机身气动力预测的高精度计算流体力学(CFD)方法;其次,提出了CFD-代理模型(SM)-遗传算法(GA)结合的共轴刚性旋翼/推力桨冗余操纵鲁棒配平方法。在此基础上,开展了旋翼/推力桨前向拉力分配、旋翼升力偏置量和机身姿态等操纵策略对高速直升机飞行性能的影响分析,获得了能够有效提升高速直升机最大前飞速度、实用升限的操纵策略。结果表明:固定机身俯仰角前飞时,旋翼分配小部分前向拉力可以提升高速直升机最大平飞速度,最大可提升10.78%;在海平面飞行时,旋翼升力偏置量为0.3,直升机具有最大前飞速度,升力偏置量为0.2,直升机实用升限最大;机身俯仰角为-1°时,高速直升具有最大前飞速度和实用升限,俯仰角过大或过小都会降低前飞性能。

关键词：高速直升机共轴刚性旋翼飞行性能操纵策略 CFD方法遗传算法代理模型

基于CFD/CSD耦合的TEF旋翼气弹特性高精度模拟

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航空学报 2024年第18期45卷 147-162页

作者：王华龙张夏阳赵国庆招启军马砾南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室南京210016

为分析前飞状态带有后缘小翼的旋翼的气弹特性,建立了一套基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的高精度分析方法。基于参数化建模发展了一套含动态后缘小翼的旋翼运动嵌套网格方法。在气动分析方面,在传统气动模型的基础上引... 详细信息

为分析前飞状态带有后缘小翼的旋翼的气弹特性,建立了一套基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合的高精度分析方法。基于参数化建模发展了一套含动态后缘小翼的旋翼运动嵌套网格方法。在气动分析方面,在传统气动模型的基础上引入高精度CFD方法,可以精确模拟旋翼非定常流场和气动特性。在结构方面,建立了刚性后缘小翼动力学模型,以附加质量、阻尼、刚度等矩阵的形式考虑刚性后缘小翼运动对旋翼系统的影响,基于Hamilton原理和Timoshenko梁模型建立了系统的非线性动力学方程。采用基于代数变换的弹性网格变形方法,在此基础上发展流固非定常耦合策略。通过对比模型旋翼和SA349/2旋翼气弹响应的计算结果,验证了CFD/CSD耦合方法的有效性。以带后缘小翼的SMART旋翼为算例,与桨叶剖面等效法向力系数的计算结果进行了对比;着重开展Fulton模型旋翼的计算分析,分别研究悬停状态下桨根扭矩和前飞状态下挥舞弯矩幅值的变化规律,并与文献结果进行对比。结果表明:所建立的CFD/CSD耦合方法可以提高旋翼非定常气弹载荷的分析精度,精确捕捉低速前飞旋翼的桨-涡干扰(BVI)现象,挥舞弯矩平均误差可控制在11.68%;同时计算得到的带后缘小翼的桨叶固有频率误差不超过4.0%,桨根挥舞弯矩幅值平均误差为15.15%,能够有效模拟后缘小翼的气弹特性。在单一后缘小翼操纵规律下,Fulton旋翼的桨毂垂向力Fz能够得到有效控制,载荷幅值的降幅可达80%以上。

关键词：旋翼动力学后缘小翼气动弹性 CFD/CSD方法气弹载荷

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旋翼涡环状态非定常气动特性研究

飞行力学 2024年第3期42卷 1-5页

作者：赵磊王博王畅招启军南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室江苏南京210016 中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

旋翼涡环状态机理研究对直升机飞行安全具有重要意义。基于雷诺平均N-S控制方程,采用滑移网格技术和非结构网格建模,使用Spalart-Allmaras湍流模型,对直升机旋翼在不同下降率的垂直飞行中遭遇涡环状态进行了数值模拟研究。首先,验证了... 详细信息

旋翼涡环状态机理研究对直升机飞行安全具有重要意义。基于雷诺平均N-S控制方程,采用滑移网格技术和非结构网格建模,使用Spalart-Allmaras湍流模型,对直升机旋翼在不同下降率的垂直飞行中遭遇涡环状态进行了数值模拟研究。首先,验证了旋翼涡环状态的风洞试验数据;然后,在深度涡环状态下对旋翼进行了气动力分析,发现旋翼桨叶之间出现不同步的周期性变化现象;最后,对不同下降率下旋翼的气动力变化进行了对比。研究结果表明,涡环会导致旋翼叶片前段出现明显的拉力损失,而旋翼后段的拉力略微增加;该研究为了解旋翼遭遇涡环状态提供了一种分析思路,并对指导旋翼外形设计具有一定的实际意义。

关键词：旋翼涡环状态垂直下降 CFD

高速直升机机身干扰对推力桨气动与噪声源特性的影响

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航空学报 2024年第9期45卷 272-286页

作者：孙大智陈希鲍为成卞威招启军南京航空航天大学航空学院直升机动力学全国重点实验室南京210016

研究高速直升机前飞时机身/后置推力桨的气动干扰对其气动与噪声源特性的影响。构建了一套适用于机身/推力桨流场模拟的高鲁棒性网格系统,贴体网格采用机身非结构/桨叶结构的混合网格,各贴体网格分别与背景网格建立嵌套关系,提出了网格... 详细信息

研究高速直升机前飞时机身/后置推力桨的气动干扰对其气动与噪声源特性的影响。构建了一套适用于机身/推力桨流场模拟的高鲁棒性网格系统,贴体网格采用机身非结构/桨叶结构的混合网格,各贴体网格分别与背景网格建立嵌套关系,提出了网格外边界自适应实体物面的边界识别方法以规避贴体网格计算域与实体的重合问题。基于URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stockes)方程构建了一套高速直升机机身/推力桨干扰流场的模拟方法,并基于FW-H(Ffowcs Williams and Hawkings)方程进一步建立了机身/推力桨噪声预估方法。通过与ROBIN机身/旋翼干扰试验数据、AH-1G旋翼噪声试验数据进行对比,验证了分析方法的有效性。开展了高速飞行状态下机身/推力桨干扰流场的高精度数值模拟,重点分析了机身/推力桨流场的干扰机制,综合对比了有/无机身干扰的推力桨气动噪声源特性。结果表明:在机身干扰下,推力桨整体推力会出现小幅度的波动,波动幅度约5.34%。与孤立推力桨比较,受干扰的推力桨在中/高桨盘夹角方向上的噪声声压级(SPL)大幅增大,且增大幅值与前进比正相关。此外,机身表面压力的波动会诱发载荷噪声,进一步改变了总噪声的频域特性。

关键词：高速直升机推力桨气动特性噪声特性 FW-H方程

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吸波材料覆盖直升机强散射源RCS缩减分析

南京航空航天大学学报 2024年第2期56卷 217-226页

作者：程健来孔祥鲲费钟阳招启军南京航空航天大学电子信息工程学院雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室南京210016 南京航空航天大学航空学院直升机动力学全国重点实验室南京210016

针对武装直升机的宽带隐身问题,提出利用射线追踪和逆合成孔径雷达(Inverse synthetic aperture radar,ISAR)成像确定直升机强散射源位置的方法,形成电磁超构材料和磁性材料一体化设计直升机部分强散射源的隐身设计构想,并计算分析了两... 详细信息

针对武装直升机的宽带隐身问题,提出利用射线追踪和逆合成孔径雷达(Inverse synthetic aperture radar,ISAR)成像确定直升机强散射源位置的方法,形成电磁超构材料和磁性材料一体化设计直升机部分强散射源的隐身设计构想,并计算分析了两款隐身材料加载后对整机隐身效果的影响。首先,分析等效媒质理论、射线追踪与ISAR成像原理。然后,通过射线追踪以及ISAR成像的计算,精确且直观地捕获强散射源部位。最后,给出了两款材料的反射系数并分析加载直升机后单站雷达散射截面(Radar cross section,RCS)变化。计算结果表明,两种不同类型隐身材料覆盖直升机强散射源部位后可以达到局部角域范围内RCS缩减的目的,为隐身材料和直升机蒙皮及旋翼的融合设计提供了参考。

关键词：直升机雷达散射截面射线追踪逆合成孔径雷达成像电磁超构材料磁性材料

前飞状态倾转多旋翼机气动干扰及参数影响分析

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飞行力学 2024年第3期42卷 40-44,88页

作者：刘源陈喆王博招启军南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室江苏南京210016

针对倾转旋翼机各部件气动干扰规律和流动机理进行研究。首先,采用滑移网格技术,建立一套适用于多桨形式的倾转旋翼机非定常流场的CFD方法;其次,对孤立旋翼、机身和不同状态下旋翼/机翼/机身干扰的气动特性进行计算分析;最后,根据不同... 详细信息

针对倾转旋翼机各部件气动干扰规律和流动机理进行研究。首先,采用滑移网格技术,建立一套适用于多桨形式的倾转旋翼机非定常流场的CFD方法;其次,对孤立旋翼、机身和不同状态下旋翼/机翼/机身干扰的气动特性进行计算分析;最后,根据不同结构参数对旋翼和机身气动特性的影响规律,揭示前飞状态下倾转多旋翼机非定常干扰流场的流动机理。结果表明,前飞巡航时,旋翼桨尖涡会向后脱落与机翼相互作用,导致倾转旋翼机机身阻力出现周期性变化,同时机身阻力平均值也有所增加,随着前飞速度的增加,旋翼对机翼的气动干扰增强。

关键词：倾转多旋翼机数值模拟气动干扰滑移网格前飞状态