來自賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實驗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)格對直升機旋翼槳轂渦旋釋放進行了仿真。

01

簡介

盡管直升機空氣動力學(xué)涉及的力與飛機空氣動力學(xué)中的力是同一種，但由于直升機飛行過程涉及到流體流動動力學(xué)，它的力產(chǎn)生方式有所不同。直升機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。直升機依靠旋翼來飛行、橫向移動、360 度轉(zhuǎn)彎和改變飛行高度。

直升機駕駛員通過斜盤組件對旋翼葉片角度進行必要的調(diào)整，斜盤組件由上下兩部分組成。上斜盤通過連桿與旋翼軸連接，而下斜盤則固定不動，兩塊斜盤之間用滾珠軸承隔開，所以上斜盤可以在下斜盤上方自由旋轉(zhuǎn)。

在飛行器總寄生阻力中，旋翼槳轂周圍的氣流占了很大一部分，約為 20-30%，在直升機設(shè)計階段需要對這類氣流進行阻力預(yù)測分析。旋翼槳轂尾流會影響尾翼，甚至?xí)p害直升機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

一直以來，旋翼槳轂尾流分析是在風(fēng)洞中進行的；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)格進行流場計算，從而精確捕捉渦旋釋放。

圖 1.旋翼槳轂風(fēng)洞試驗（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)

直升機尾流不穩(wěn)定時會形成渦旋。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)和直升機機體的運動。

圖 2. 旋翼槳轂的 Q 準(zhǔn)則等值面。

在直升機飛行器結(jié)構(gòu)動力學(xué)中，從旋翼槳轂流出的復(fù)雜氣流是一個重要問題。對于前進飛行中的直升機來說，巨大的氣流會吹向尾翼并與之發(fā)生相互作用。而這種相互作用令人擔(dān)憂，因為飛行器結(jié)構(gòu)通常會對尾流施加的外力做出反應(yīng)。這些大型氣流具有很強的垂直性，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 解決方案來準(zhǔn)確預(yù)測渦旋釋放行為，對直升機設(shè)計有很大的幫助。

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。通常會使用結(jié)構(gòu)化六面體組件網(wǎng)格，因為它具有高效、精確的優(yōu)點。

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

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)格改進提供參考。近體、離體和嵌套網(wǎng)格修復(fù)均可實現(xiàn)自動化，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)格進行細(xì)化，對于準(zhǔn)確預(yù)測阻力至關(guān)重要。

總結(jié)

對旋翼槳轂渦旋釋放進行仿真，以準(zhǔn)確預(yù)測影響直升機飛行器結(jié)構(gòu)動力學(xué)的寄生阻力，這對于直升機的設(shè)計至關(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 提供自動網(wǎng)格劃分功能，無需用戶過多干預(yù)，可最大程度提高網(wǎng)格劃分效率。