利用 Fidelity CFD 嵌套網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)直升機(jī)旋翼槳轂渦旋釋放仿真

來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室和航空航天工程系的 Norman F. Foster、Jim G. Coder 和 Warren J. Baker 使用了 Cadence Fidelity Pointwise 嵌套網(wǎng)格對(duì)直升機(jī)旋翼槳轂渦旋釋放進(jìn)行了仿真。

01

簡(jiǎn)介

盡管直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)涉及的力與飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)中的力是同一種，但由于直升機(jī)飛行過(guò)程涉及到流體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)，它的力產(chǎn)生方式有所不同。直升機(jī)利用沿旋翼葉片的自由氣流產(chǎn)生升力和推力。在旋翼系統(tǒng)中，旋翼槳轂緊扣葉片并將其連接到系統(tǒng)的主軸上。直升機(jī)依靠旋翼來(lái)飛行、橫向移動(dòng)、360 度轉(zhuǎn)彎和改變飛行高度。

直升機(jī)駕駛員通過(guò)斜盤(pán)組件對(duì)旋翼葉片角度進(jìn)行必要的調(diào)整，斜盤(pán)組件由上下兩部分組成。上斜盤(pán)通過(guò)連桿與旋翼軸連接，而下斜盤(pán)則固定不動(dòng)，兩塊斜盤(pán)之間用滾珠軸承隔開(kāi)，所以上斜盤(pán)可以在下斜盤(pán)上方自由旋轉(zhuǎn)。

在飛行器總寄生阻力中，旋翼槳轂周?chē)臍饬髡剂撕艽笠徊糠郑s為 20-30%，在直升機(jī)設(shè)計(jì)階段需要對(duì)這類(lèi)氣流進(jìn)行阻力預(yù)測(cè)分析。旋翼槳轂尾流會(huì)影響尾翼，甚至?xí)p害直升機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

一直以來(lái)，旋翼槳轂尾流分析是在風(fēng)洞中進(jìn)行的；現(xiàn)在，利用 Cadence Fidelity CFD 等 CFD 解決方案，可以使用嵌套網(wǎng)格或滑移網(wǎng)格進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，從而精確捕捉渦旋釋放。

圖 1.旋翼槳轂風(fēng)洞試驗(yàn)（左側(cè)），旋翼槳轂 CAD 模型（右側(cè)）。

02

旋翼槳轂渦旋釋放的挑戰(zhàn)

直升機(jī)尾流不穩(wěn)定時(shí)會(huì)形成渦旋。旋翼槳轂尾流中的渦旋釋放模式在很大程度上取決于雷諾數(shù)和直升機(jī)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。

圖 2. 旋翼槳轂的 Q 準(zhǔn)則等值面。

在直升機(jī)飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中，從旋翼槳轂流出的復(fù)雜氣流是一個(gè)重要問(wèn)題。對(duì)于前進(jìn)飛行中的直升機(jī)來(lái)說(shuō)，巨大的氣流會(huì)吹向尾翼并與之發(fā)生相互作用。而這種相互作用令人擔(dān)憂，因?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)通常會(huì)對(duì)尾流施加的外力做出反應(yīng)。這些大型氣流具有很強(qiáng)的垂直性，因此有必要控制和減輕它與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。使用帶有嵌套結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的 CFD 解決方案來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)渦旋釋放行為，對(duì)直升機(jī)設(shè)計(jì)有很大的幫助。

從概念上講，嵌套網(wǎng)格生成分為離體網(wǎng)格（或背景網(wǎng)格）以及求解幾何體和粘性效應(yīng)的近體網(wǎng)格。通常會(huì)使用結(jié)構(gòu)化六面體組件網(wǎng)格，因?yàn)樗哂懈咝?、精確的優(yōu)點(diǎn)。

03

Fidelity CFD 嵌套網(wǎng)格劃分技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

Cadence Fidelity Pointwise 利用行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格生成技術(shù)，可生成結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、嵌套和混合網(wǎng)格，以滿足各種應(yīng)用需求。Pointwise 提供簡(jiǎn)單易用的 API 接口，可靈活集成到外部 CFD 工作流程中。

圖 3. 在 Fidelity Pointwise 中創(chuàng)建的旋翼槳轂嵌套網(wǎng)格。

使用 Pointwise 中的嵌套網(wǎng)格組件工具，可以創(chuàng)建高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，用于準(zhǔn)確分析渦旋釋放形式的旋翼槳轂湍流。雖然非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格通常比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更容易生成，但不可避免地會(huì)降低邊界層等關(guān)鍵區(qū)域的求解精度，而且所需的單元數(shù)量通常比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格多得多。

嵌套網(wǎng)格劃分和嵌套網(wǎng)格組件 (OGA) 工具協(xié)同工作，可根據(jù)嵌套范例選擇匹配的網(wǎng)格劃分工具，從而生成最佳仿真模型。網(wǎng)格組件的反饋可為網(wǎng)格改進(jìn)提供參考。近體、離體和嵌套網(wǎng)格修復(fù)均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以最大限度地提高用戶效率。圖 3 中，在流固耦合區(qū)域?qū)π順灳W(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)阻力至關(guān)重要。

總結(jié)

對(duì)旋翼槳轂渦旋釋放進(jìn)行仿真，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)影響直升機(jī)飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的寄生阻力，這對(duì)于直升機(jī)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

Fidelity Pointwise 利用嵌套網(wǎng)格劃分和 OGA 工具，能夠以必要的精細(xì)度捕捉流體-結(jié)構(gòu)相互作用和湍流區(qū)域。Pointwise 提供自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，無(wú)需用戶過(guò)多干預(yù)，可最大程度提高網(wǎng)格劃分效率。