基于流固耦合的旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷計(jì)算分析

余智豪 周云 宋彬 虞志浩 康建鵬

摘要：建立旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷的流固耦合分析方法，計(jì)算分析旋翼前飛狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷，其中旋翼動(dòng)力學(xué)模型中采用大變形梁模型，旋翼氣動(dòng)模型采用CFD模型，利用多重滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)旋翼變距、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，最后采取松耦合策略集成動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)模型。在結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)模型分別驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算SA349/2直升機(jī)槳葉在前飛狀態(tài)的揮舞、擺振剖面結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷并對(duì)比飛行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證流固耦合計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)比自由尾跡模型計(jì)算結(jié)果，證明在旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷計(jì)算當(dāng)中引入CFD方法能有效提高載荷計(jì)算的預(yù)估精度。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)載荷;直升機(jī);旋翼;流固耦合;大變形

中圖分類號(hào)：V214.3⁺3;V275⁺.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4523（2020）02-0285-10

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.02.008

引言

旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷預(yù)估一直是直升機(jī)動(dòng)力學(xué)研究設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)之一，準(zhǔn)確的預(yù)估載荷能有效縮短直升機(jī)研制周期。旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷的計(jì)算包含動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)以及耦合求解三個(gè)方面，具有強(qiáng)耦合，非線性等特點(diǎn)。槳葉激波、動(dòng)態(tài)失速以及反流區(qū)、槳渦干擾等現(xiàn)象決定了旋翼氣動(dòng)計(jì)算的困難性;揮/擺/扭以及三者相互耦合的運(yùn)動(dòng)又使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷計(jì)算更加復(fù)雜。氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)二者相互耦合決定了旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷計(jì)算的復(fù)雜性。動(dòng)力學(xué)模型從剛體模型已經(jīng)發(fā)展到幾何精確大變形梁模型;氣動(dòng)模型從動(dòng)量理論發(fā)展至尾跡模型和CFD模型。尾跡模型中對(duì)氣體作無黏假設(shè)，且目前針對(duì)載荷計(jì)算的氣動(dòng)彈性分析方法中氣動(dòng)模型多采用尾跡模型，同時(shí)在氣彈數(shù)值迭代中采用簡(jiǎn)化的方法以求計(jì)算收斂，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不能有效地體現(xiàn)出復(fù)雜的流場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)載荷，尤其是結(jié)構(gòu)載荷的高階成分的影響。

結(jié)合幾何精確梁模型和自由尾跡模型建立旋翼氣動(dòng)彈性分析方法，在計(jì)算直升機(jī)前飛狀態(tài)下的旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷中取得較好的精度，且幅值相位的精度均有所改善，但與真實(shí)值仍存在一定差距。采用流固耦合方法計(jì)算UH-60A前飛氣動(dòng)載荷，氣動(dòng)載荷計(jì)算結(jié)果誤差小，同時(shí)也表明耦合方法在提高結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷預(yù)估精度上有很大潛力。結(jié)合嵌套網(wǎng)格技術(shù)的CFD模型與基于中等變形梁理論的動(dòng)力學(xué)模型建立適用于彈性槳葉旋翼的松耦合氣動(dòng)彈性分析方法，以SA349/2旋翼和后掠槳尖外形的UH-60A旋翼飛行試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷高階諧波明顯，載荷的精細(xì)成分得到體現(xiàn)。針對(duì)前飛氣動(dòng)干擾對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷的影響問題，采用流固耦合方法研究表明，氣動(dòng)干擾對(duì)揮舞、擺振載荷的高頻成分影響顯著。為了準(zhǔn)確預(yù)估旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷，應(yīng)用高效的耦合策略結(jié)合高精度的動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)模型，在理論計(jì)算中真實(shí)體現(xiàn)旋翼流場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷的影響。

本文針對(duì)旋翼前飛狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷問題，集成CFD氣動(dòng)模型和幾何精確大變形梁理論的動(dòng)力學(xué)模型，提出了一種旋翼氣動(dòng)彈性流固耦合的分析方法，并計(jì)算前飛狀態(tài)下的SA349/2旋翼揮舞、擺振載荷，結(jié)合基于自由尾跡方法的載荷計(jì)算結(jié)果和飛行數(shù)據(jù)，表明槳渦干擾等復(fù)雜流場(chǎng)環(huán)境下剖面揮舞、擺振彎矩的高階諧波載荷成分明顯，同時(shí)驗(yàn)證了本文所提出的流固耦合分析方法能有效提高結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷預(yù)估精度。

本文基于Fluent平臺(tái)，結(jié)合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的幾何靈活性和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能很好地處理黏性問題等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)流場(chǎng)網(wǎng)格的劃分采用混合網(wǎng)格，槳葉貼體網(wǎng)格以及槳葉周邊采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分且適當(dāng)加密。而對(duì)遠(yuǎn)離槳葉的區(qū)域，為提高計(jì)算效率，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行疏化處理。旋翼旋轉(zhuǎn)、變距運(yùn)動(dòng)采用多重滑移網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)，選擇SST形式的k-omega湍流模型，并使用二階迎風(fēng)格式的速度與壓力的耦合求解器。旋翼整體的流場(chǎng)網(wǎng)格劃分如圖1所示，流場(chǎng)整體計(jì)算域?yàn)楦?0m，半徑30m的圓柱，內(nèi)部槳盤區(qū)域?yàn)榘霃?1m，高5m的原盤。流場(chǎng)整體網(wǎng)格為480萬，內(nèi)部槳盤網(wǎng)格為390萬。

1.2旋翼結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

第5步：在CFD、CSD模型中保持輸人操縱值不變，重復(fù)第2步到第4步，直至CFD計(jì)算的氣動(dòng)力不隨迭代計(jì)算而發(fā)生改變，達(dá)到收斂狀態(tài)，即認(rèn)為CSD模塊的氣動(dòng)力全部來自CFD模塊的計(jì)算。

針對(duì)旋翼結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷，采用一種結(jié)構(gòu)振動(dòng)載荷混合計(jì)算方法，混合方法的示意圖如圖3所示。

2模型驗(yàn)證

2.1氣動(dòng)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文氣動(dòng)力計(jì)算的正確性，選取模型旋翼作為驗(yàn)證算例。計(jì)算旋翼總距8°，1750和2250r/min兩檔轉(zhuǎn)速下槳葉剖面處表面壓力系數(shù)Cp。模型旋翼總體參數(shù)如表1所示，其中R為槳葉半徑。

在轉(zhuǎn)速1750r/min、槳尖速度為0.612Ma狀態(tài)和轉(zhuǎn)速2250r/min、槳尖速度為0.749Ma狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4看出在兩個(gè)狀態(tài)下剖面壓力系數(shù)計(jì)算值整體吻合試驗(yàn)值，且貼合度很高。在大轉(zhuǎn)速條件下，在0.89R與0.96R剖面處上表面前緣出現(xiàn)明顯低壓區(qū)，產(chǎn)生激波?？傮w看來計(jì)算結(jié)果符合試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖5（a）和（b）為流場(chǎng)兩個(gè)平面的速度切片圖，在懸停試驗(yàn)中，槳盤下存在收縮的下洗流。靠近槳尖處出現(xiàn)明顯的上洗現(xiàn)象。圖5（c）為槳葉多個(gè)剖面處的速度分布圖，靠近槳尖段出現(xiàn)激波效應(yīng)以及氣流分離效應(yīng)。

圖6為流場(chǎng)仿真的渦量圖，為提高計(jì)算效率，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格劃分比較細(xì)密，遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)區(qū)域部分的網(wǎng)格逐漸稀疏，故在計(jì)算中槳尖渦只能保持2圈左右，繼續(xù)遠(yuǎn)離槳盤區(qū)域，網(wǎng)格稀疏，槳尖渦有所耗散。流場(chǎng)數(shù)值仿真的整體效果非常好，槳盤附近區(qū)域尾跡明顯且質(zhì)量較高。該算例結(jié)果證明CFD方法有效。

2.2結(jié)構(gòu)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，本節(jié)采用XH-59A全尺寸風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行槳葉模態(tài)頻率的計(jì)算驗(yàn)證，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)可在文獻(xiàn)[11]中查閱。

本節(jié)主要計(jì)算驗(yàn)證槳葉低階模態(tài)頻率，圖7結(jié)果顯示較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)槳葉模態(tài)頻率的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合，尤其是一階揮舞與一階擺振結(jié)果，證明本文采用的旋翼動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確有效。