基于黏性渦粒子/沙粒DEM的直升機(jī)沙盲建模

譚劍鋒，何龍，于領(lǐng)軍，周?chē)?guó)臣

1. 南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816 2. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 低速空氣動(dòng)力研究所 旋翼空氣動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng) 621000 3. 陸軍航空兵學(xué)院 航空機(jī)械工程系，北京 101123 4. 南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院， 南京 210016

直升機(jī)在沙漠、戈壁等環(huán)境下垂直起降和近地飛行，旋翼高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的下洗流將掀起細(xì)沙顆粒和碎石，形成顯著的“沙盲(Brownout)”現(xiàn)象，從而阻擋飛行員視線，導(dǎo)致直升機(jī)起降、貼地飛行困難，甚至因無(wú)法識(shí)別周?chē)h(huán)境(如障礙物等)導(dǎo)致飛行事故。美國(guó)國(guó)防部航空安全技術(shù)報(bào)告表明：“沙盲”導(dǎo)致的弱視環(huán)境(Degraded Visual Environments, DVEs)引發(fā)了幾乎一半的空軍直升機(jī)墜機(jī)事故，同時(shí)也是美國(guó)陸軍直升機(jī)損傷的主要因素。因此，研究直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象以及建立直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象分析方法顯得尤為重要。

為研究直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象的形成過(guò)程， Whitehouse等基于模型旋翼開(kāi)展“沙盲”試驗(yàn)以測(cè)試“沙盲”狀態(tài)下的可視度，然而試驗(yàn)并未測(cè)量沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡和流場(chǎng)特性。隨后Tritschler等采用高速PIV技術(shù)研究旋翼流場(chǎng)干擾兩相流狀態(tài)下的沙粒流動(dòng)，結(jié)果表明旋翼槳尖渦的相互融合顯著增加了靠近地面的上洗速度，并影響沙粒聚集和揚(yáng)起高度。為填補(bǔ)全尺寸直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象試驗(yàn)數(shù)據(jù)空白，美國(guó)陸軍聯(lián)合研究項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室的Wong等在美國(guó)陸軍Yuma試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展了EH-60L的3D-LZ“沙盲”飛行試驗(yàn)，獲得了全尺寸直升機(jī)“沙盲”形成過(guò)程數(shù)據(jù)。Leishman等采用單相和雙相流測(cè)試技術(shù)研究旋翼“沙盲”狀態(tài)下的沙粒起跳問(wèn)題，結(jié)果表明受地面影響，旋翼槳尖渦發(fā)生拉伸、融合，并形成高度三維非定常特性，誘發(fā)地面渦的形成，從而導(dǎo)致沙粒起跳、懸浮。為進(jìn)一步明確旋翼渦系的影響，2017年，Leishman等采用高速流體顯示技術(shù)(Flow Visualization，F(xiàn)V)和高速兩分量PIV研究旋翼地效下的旋翼渦系結(jié)構(gòu)，研究表明受地面影響，旋翼槳葉內(nèi)段渦系與槳尖渦存在速度差異，并在靠近地面融合，形成復(fù)雜的湍流結(jié)構(gòu)，影響地面射流特性，最終影響“沙盲”形成。上述試驗(yàn)表明直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象受旋翼與地面非定常氣動(dòng)干擾影響顯著。

為研究直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象的形成過(guò)程，眾多研究者開(kāi)展直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象的數(shù)值分析方法研究。Quackenbush等采用基于自由尾跡模型的CHARM軟件研究旋翼靠近地面流場(chǎng)，并研究直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象，結(jié)果表明直升機(jī)貼地飛行狀態(tài)下地面渦引發(fā)沙粒移動(dòng)。隨后，Whitehouse等基于自由尾跡Free-wake和面元法建立了旋翼/地面氣動(dòng)干擾模型，研究旋翼靠近地面的流場(chǎng)特性，并耦合沙粒運(yùn)動(dòng)模型和可視化模型模擬直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象。結(jié)果表明，此方法可實(shí)現(xiàn)直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象模擬，但并未考慮旋翼槳尖渦的黏性效應(yīng)和地面黏性效應(yīng)，也未考慮沙粒的摩擦碰撞特性。為此，Andrea采用基于面元-時(shí)間步進(jìn)自由尾跡模型的ADPANEL軟件研究旋翼靠近地面的非定常流動(dòng)現(xiàn)象，并耦合粒子輸運(yùn)模型(Particle Transport Model，PTM)研究EH101和縱列式直升機(jī)“沙盲”特性，但方法中仍未考慮黏性效應(yīng)、地面復(fù)雜流動(dòng)以及沙粒起跳真實(shí)特性。此外，Keller等基于渦量輸運(yùn)模型(Vorticity Transport Model，VTM)和無(wú)黏地面模型研究旋翼靠近地面的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，并耦合基于沙粒起跳通量和起跳速度罰值的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建沙粒輸運(yùn)模型PTM，從而模擬直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象，但仍未考慮沙粒間以及與地面的碰撞。為此，Leishman等采用時(shí)間精確自由尾跡模型和地面鏡像模型模擬旋翼近地面流場(chǎng)，耦合基于沙粒輸運(yùn)方程的沙粒動(dòng)力學(xué)模型，建立拉格朗日沙粒跟蹤方法。方法采用Bagnold沙粒揚(yáng)起速度罰值模型和沙粒摩擦速度罰值模型，并嵌入Shao沙粒夾帶和起跳概率模型，模擬直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象。結(jié)果表明此方法可實(shí)現(xiàn)“沙盲”現(xiàn)象模擬，且旋翼與地面干擾的非定常尾跡結(jié)構(gòu)對(duì)沙云特性影響顯著。然而，方法仍未考慮旋翼尾跡和地面的無(wú)黏效應(yīng)，且采用基于半經(jīng)驗(yàn)的沙粒夾帶模型、沙粒起跳模型、以及速度罰值的沙粒通量模型計(jì)算沙粒揚(yáng)起過(guò)程，而未考慮沙粒碰撞存在的能量交換。為此，2020年，徐國(guó)華等采用CCM++軟件和離散動(dòng)力學(xué)EDEM軟件開(kāi)展了全尺寸直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象初步研究，但研究的沙粒數(shù)量較少(萬(wàn)級(jí))，沙粒間距較大，因此在“沙盲”形成過(guò)程和計(jì)算方法方面仍需進(jìn)一步研究。

基于拉格朗日體系的黏性渦粒子方法(Viscous Vortex Particle Method, VVPM)能較好捕捉旋翼/地面干擾效應(yīng)和復(fù)雜流場(chǎng)特性，本文將采用非定常面元/VVPM/黏性地面氣動(dòng)模型模擬旋翼時(shí)變尾跡結(jié)構(gòu)和旋翼/地面非定常氣動(dòng)干擾效應(yīng)，并基于離散動(dòng)力學(xué)，建立沙粒DEM模型和沙粒-流場(chǎng)耦合模型，構(gòu)建基于黏性渦粒子/沙粒DEM(Discrete Element Method)的直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象分析方法。通過(guò)與美國(guó)陸軍Yuma試驗(yàn)場(chǎng)的EH-60L“沙盲”飛行試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和基于沙粒夾帶模型、沙粒起跳模型、速度罰值沙粒通量模型的拉格朗日沙粒跟蹤方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證本文方法計(jì)算“沙盲”的準(zhǔn)確性。隨后，研究直升機(jī)懸停和前飛狀態(tài)下的“沙盲”形成過(guò)程和特性。

1 計(jì)算方法

1.1 旋翼/地面非定常氣動(dòng)干擾模型

直升機(jī)“沙盲”狀態(tài)的旋翼/地面非定常干擾流場(chǎng)受旋翼尾跡和旋翼氣動(dòng)載荷影響顯著。非定常面元法能較好模擬旋翼懸停和前飛狀態(tài)的槳葉氣動(dòng)載荷，且相比于CFD具有較高的計(jì)算效率，已應(yīng)用于單旋翼、雙旋翼氣動(dòng)干擾分析。為此，本文采用非定常面元法模擬直升機(jī)旋翼槳葉氣動(dòng)特性，直升機(jī)旋翼流場(chǎng)勢(shì)函數(shù)可表示為

(1)

式中：為槳葉表面匯；為槳葉表面偶極子；為槳葉表面；為尾跡渦面；為表面法矢量；為空間點(diǎn)位置矢量。

直升機(jī)旋翼槳葉邊界條件表示為

(2)

(3)

根據(jù)Neumann邊界條件和后緣Kutta條件將式(2)轉(zhuǎn)為代數(shù)方程，計(jì)算得到旋翼槳葉匯和偶極子分布。根據(jù)非定常伯努利方程計(jì)算得到旋翼槳葉壓力系數(shù)分布：

(4)

式中：為參考?jí)簭?qiáng)；為空氣密度；為當(dāng)?shù)厮俣?；為?dāng)?shù)貕簭?qiáng)；為當(dāng)?shù)貐⒖妓俣取?/p>

根據(jù)三維Navier-Stokes方程，采用黏性渦粒子法模擬旋翼尾跡渦量分布：

(5)

式中：為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；為旋翼尾跡渦矢量分布；為旋翼速度場(chǎng)。

為體現(xiàn)地面對(duì)旋翼尾跡結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)的干擾，采用基于第二類(lèi)Fredholm方程的黏性地面氣動(dòng)模型：

(6)

式中：為地面切矢量；為直升機(jī)旋翼槳葉和尾跡誘導(dǎo)的滑移速度，即

(7)

采用四邊形單元離散地面，根據(jù)式(6)黏性地面氣動(dòng)模型和離散非均勻Neumann問(wèn)題的Green積分函數(shù)，耦合渦擴(kuò)散方程計(jì)算得到地面渦量擴(kuò)散到流體的渦量為

(8)

式中：為三維熱擴(kuò)散核函數(shù)；為積分面積。

耦合式(1)、式(3)、式(5)～式(7)實(shí)現(xiàn)旋翼槳葉氣動(dòng)模型、尾跡模型與黏性地面氣動(dòng)模型的相互誘導(dǎo)耦合，耦合式(5)和式(8)實(shí)現(xiàn)旋翼尾跡和黏性地面氣動(dòng)模型的渦耦合，形成旋翼/地面非定常氣動(dòng)干擾模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)“沙盲”狀態(tài)下的旋翼/地面非定常干擾流場(chǎng)求解。

1.2 沙粒DEM模型

“沙盲”的形成過(guò)程是顆粒相為稀相兩相流動(dòng)過(guò)程，在拉格朗日體系下，追蹤顆粒相的運(yùn)動(dòng)，從而得到沙云的形成特征。對(duì)于沙粒間的相互作用，離散單元法(Discrete Element Model)在離散度大、流動(dòng)顯著的顆粒流系統(tǒng)分析中得到廣泛應(yīng)用。基于離散動(dòng)力學(xué)理論，沙粒運(yùn)動(dòng)方程由牛頓第二定律得出,并考慮沙粒受到的流體力、碰撞力、重力以及沙粒旋轉(zhuǎn)：

(9)

(10)

式中：為沙粒顆粒質(zhì)量；為沙粒速度矢量；為沙粒慣量；為沙粒角速度矢量；為沙粒力矩矢量。通過(guò)采用顯式積分技術(shù)，計(jì)算沙粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到沙粒在空間的分布形態(tài)。

(11)

(12)

(13)

式中：為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；為接觸點(diǎn)到沙粒質(zhì)量中心的距離；為沙粒角速度單位矢量。

圖1 沙粒接觸碰撞模型Fig.1 Contact model of sand particle

1.3 沙粒-流場(chǎng)耦合模型

基于沙粒-流場(chǎng)耦合模型，將沙粒DEM動(dòng)力學(xué)模型嵌入直升機(jī)旋翼/地面非定常干擾流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象分析。由于直升機(jī)“沙盲”的沙粒直徑為100 μm量級(jí)，因此忽略沙粒對(duì)旋翼/地面非定常干擾流場(chǎng)的影響，但需體現(xiàn)旋翼/地面非定常干擾流場(chǎng)對(duì)沙粒動(dòng)力學(xué)特性的影響。為此，將流場(chǎng)作用于沙粒的氣動(dòng)力耦合至沙粒動(dòng)力學(xué)方程，從而實(shí)現(xiàn)沙粒-流場(chǎng)耦合。

沙粒與流場(chǎng)的氣-固兩相間作用主要通過(guò)相間的作用力來(lái)耦合，沙粒受到流體力為

(14)

式中：為空氣密度；為流場(chǎng)速度；為沙粒移動(dòng)速度；為沙粒等效面積。

根據(jù)低速流體的Stokes定律，計(jì)算得到沙粒在空氣中的阻力系數(shù)為

(15)

式中：沙粒雷諾數(shù)為

(16)

其中：為沙粒等效直徑。

旋翼/地面干擾流場(chǎng)與沙粒DEM耦合計(jì)算流程如圖2所示。圖中：為旋翼/地面干擾流場(chǎng)計(jì)算時(shí)間；Δ為計(jì)算步長(zhǎng)；為計(jì)算終止時(shí)間；Δ為沙粒DEM計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)：

基于上述沙粒-流場(chǎng)耦合模型，將直升機(jī)旋翼/地面非定常氣動(dòng)干擾分析方法與沙粒DEM模型耦合，建立直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象數(shù)值分析方法。

圖2 直升機(jī)“沙盲”計(jì)算流程圖Fig.2 Computer flow diagram of helicopter brownout

2 直升機(jī)“沙盲”特性

2.1 旋翼/地面干擾流場(chǎng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象數(shù)值分析方法計(jì)算旋翼/地面干擾流場(chǎng)的準(zhǔn)確性，采用美國(guó)馬里蘭大學(xué)旋翼/地面干擾試驗(yàn)，模型旋翼的槳葉數(shù)目、半徑、扭轉(zhuǎn)角、弦長(zhǎng)、槳尖馬赫數(shù)、翼型分別為2、0.086 m、0°、0.019 6 m、0.08、圓弧翼型。旋翼總距和離地高度分別為12°、1.5。

圖3給出了旋翼不同徑向位置處的徑向速度隨高度變化，以及試驗(yàn)結(jié)果和CFD的OVERTUNS軟件計(jì)算結(jié)果(其中為徑向速度，為垂向速度)。各徑向位置處，計(jì)算得到的速度隨高度變化趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果基本吻合。隨著高度增加，徑向速度先快速增加后減小，形成典型的地面射流現(xiàn)象。此外，隨著徑向位置增加，徑向速度峰值對(duì)應(yīng)的高度逐漸減小，速度峰值先增加后略有減小，且速度峰值和其對(duì)應(yīng)的高度與試驗(yàn)結(jié)果均吻合較好。因此，本文直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象數(shù)值分析方法較好模擬旋翼/地面干擾下的流場(chǎng)特性。

圖3 旋翼/地面干擾下的徑向速度變化特性Fig.3 Varations of radial velocities during rotor-ground interaction

2.2 前飛狀態(tài)EH-60L“沙盲”驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象數(shù)值分析方法的準(zhǔn)確性，采用Wong和Tanner在美國(guó)陸軍 Yuma試驗(yàn)場(chǎng)YPG的Oasis著陸區(qū)EH-60L直升機(jī)“沙盲”飛行試驗(yàn)。飛行測(cè)試試驗(yàn)區(qū)如圖4所示，著陸區(qū)包括7條寬度不一的跑道，其中飛行試驗(yàn)在跑道1、3、5、7中進(jìn)行，其他跑道設(shè)置了包括電線桿、電纜、小型建筑、汽車(chē)等障礙物，以便測(cè)量EH-60L機(jī)載傳感器靈敏度。試驗(yàn)通過(guò)由多臺(tái)相機(jī)構(gòu)成的立體拍攝系統(tǒng)記錄EH-60L飛行時(shí)“沙盲”照片，并獲得“沙云”位置和形態(tài)。

圖4 “沙盲”試驗(yàn)的Oasis著陸區(qū)示意圖Fig.4 Schematic of Oasis landing zone used for brownout experiments

根據(jù)YPG試驗(yàn)場(chǎng)Oasis著陸區(qū)沙粒樣本分析獲得沙粒主要分布在0～1 000 μm。由于大直徑沙粒重量大，移動(dòng)和空氣中懸浮困難，而占主要成分的小直徑沙粒重量輕，移動(dòng)和懸浮容易，因此，本文分析中建立長(zhǎng)度為160 m、寬度為160 m的地面模型，采用球形沙粒，直徑為1～100 μm，且沙粒直徑和位置隨機(jī)分布。

EH-60L直升機(jī)旋翼由4片后掠20°槳葉構(gòu)成，槳葉半徑、弦長(zhǎng)、翼型、后掠角分別為8.18 m、0.527 4 m、SC1095和SC1095R8、20°，槳葉采用非線性負(fù)扭,如表1所示。EH-60L直升機(jī)平均前飛速度為37 km/h，飛行重量為7 394 kg，飛行軌跡如圖5和圖6所示。

表1 EH-60L直升機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of EH-60L helicopter

圖5 各時(shí)間點(diǎn)直升機(jī)空間位置Fig.5 Positions of helicopter at different time points

圖6 直升機(jī)飛行軌跡和Oasis著陸區(qū)模型Fig.6 Trajectory of helicopter and model of Oasis landing zone

計(jì)算得到此飛行狀態(tài)下各時(shí)間點(diǎn)直升機(jī)沙云位置、飛行測(cè)試結(jié)果、以及基于拉格朗日沙粒跟蹤方法的計(jì)算結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 沙云形態(tài)t=0 sFig.7 Shape of dust clouds at t=0 s

本文方法計(jì)算得到各時(shí)間“沙云”俯視圖和側(cè)視圖位置均與飛行測(cè)試的“沙云”結(jié)果比較吻合，且計(jì)算獲得的“沙云”輪廓與飛行測(cè)試輪廓一致。由此表明本文方法能較好的模擬直升機(jī)近地飛行的“沙云”輪廓和形成過(guò)程。

在=0,2 s，本文方法和拉格朗日沙粒跟蹤方法計(jì)算得到“沙云”前端位置基本相同，均略超前于飛行測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)圖8(a))。=4 s時(shí)，拉格朗日沙粒跟蹤方法計(jì)算得到“沙云”前端位置明顯超前于飛行測(cè)試結(jié)果，而本文方法計(jì)算得到的“沙云”前端位置與飛行測(cè)試結(jié)果一致(見(jiàn)圖9(a))。此外，拉格朗日沙粒跟蹤方法計(jì)算得到的“沙云”向后收縮，與飛行測(cè)試結(jié)果的“沙云”擴(kuò)張形式存在明顯差異(見(jiàn)圖9(a))，而本文方法計(jì)算得到的“沙云”向兩側(cè)擴(kuò)散，與飛行測(cè)試結(jié)果一致。因此，相比于拉格朗日沙粒跟蹤方法，本文方法能更好捕捉“沙云”前端位置和形狀變化特性。

圖8 沙云形態(tài)t=2 sFig.8 Shape of dust clouds at t=2 s

圖9 沙云形態(tài)t=4 sFig.9 Shape of dust clouds at t=4 s

在=0,2,4 s，拉格朗日沙粒跟蹤方法計(jì)算的“沙云”高度低于飛行測(cè)試結(jié)果 (見(jiàn)圖7(b)、圖8(b)、圖9(b))，尤其在=10～16，而本文計(jì)算方法計(jì)算的“沙云”高度與飛行測(cè)試結(jié)果更接近，“沙云”輪廓與飛行測(cè)試結(jié)果基本一致。此外，隨著“沙云”向后移動(dòng)，拉格朗日沙粒跟蹤方法計(jì)算得到的“沙云”高度先增加，后快速降低，由此表明直升機(jī)下方的沙粒揚(yáng)起，后快速下沉，而本文方法計(jì)算得到的沙粒先揚(yáng)起，而后懸浮，并與飛行測(cè)試的沙云形態(tài)特性一致，且“沙云”高度變化特性與飛行測(cè)試結(jié)果更吻合。

因此，相比基于自由尾跡模型和沙粒起跳罰值等模型的拉格朗日沙粒跟蹤方法，本文直升機(jī)“沙盲”數(shù)值分析方法計(jì)算得到的直升機(jī)“沙云”現(xiàn)象精度更高，與美國(guó)陸軍YPG試驗(yàn)場(chǎng)Oasis著陸區(qū)EH-60L“沙盲”飛行試驗(yàn)結(jié)果更吻合。

2.3 EH-60L直升機(jī)懸?！吧趁ぁ毙纬商匦?/h3>

基于上述EH-60L直升機(jī)參數(shù)和地面參數(shù)，計(jì)算模擬EH-60L懸停狀態(tài)(=1.5)“沙盲”形成過(guò)程，結(jié)果如圖10所示。

=0.5 s時(shí)旋翼/地面干擾形成的地面射流對(duì)沙粒移動(dòng)影響時(shí)間較短，暫未形成比較明顯的“沙云”現(xiàn)象。受到旋翼槳尖渦與地面干擾的非定常流場(chǎng)作用(見(jiàn)圖11，其中為垂直方向速度)，沙粒向外側(cè)移動(dòng)，在旋翼槳尖渦處形成明顯的空白區(qū)，且在旋翼槳尖渦之間形成堆積(見(jiàn)圖10(a))，主要原因在于旋翼槳尖渦正下方速度較大，沙粒移動(dòng)速度較快，而槳尖渦之間的沙粒受到流場(chǎng)作用起跳，并受沙粒間碰撞作用而停止移動(dòng)形成堆積。

圖10 懸停狀態(tài)EH-60L“沙盲”形成過(guò)程Fig.10 Process of brownout for EH-60L in hover

=1.0 s時(shí)，旋翼地面射流對(duì)沙粒的作用時(shí)間增長(zhǎng)，靠近旋翼的沙粒堆積仍然存在，而受到最外側(cè)旋翼槳尖渦形成的地面射流作用，沙粒開(kāi)始起跳、揚(yáng)起。時(shí)間增加到2.0 s，沙粒起跳高度逐漸增加，揚(yáng)起現(xiàn)象更加明顯。時(shí)間=4.0 s時(shí)，受地面射流和槳尖渦作用，細(xì)小顆粒揚(yáng)起高度進(jìn)一步增加，并沿著旋翼速度場(chǎng)移動(dòng)。受重力和流體力的作用，沙粒向旋翼上方和內(nèi)側(cè)移動(dòng)，并逐步形成沙云。時(shí)間增加到7.0 s后，沙粒起跳更加明顯，揚(yáng)起的沙粒形成非常明顯的沙云，并逐步包圍EH-60L直升機(jī)，從而形成典型的“沙盲”現(xiàn)象。

圖11 懸停狀態(tài)EH-60L/地面干擾流場(chǎng)Fig.11 Flowfield of EH-60L/ground interaction in hover

2.4 EH-60L直升機(jī)前飛狀態(tài)“沙盲”形成特性

基于上述EH-60L直升機(jī)參數(shù)和地面參數(shù)，計(jì)算模擬EH-60L前飛狀態(tài)(=1.0)沙盲形成過(guò)程，結(jié)果如圖12所示。

直升機(jī)旋翼槳尖渦與地面干擾產(chǎn)生的兩個(gè)卷起槳尖渦，推動(dòng)直升機(jī)兩側(cè)沙粒向外移動(dòng)，而中間的沙粒向后移動(dòng)，前部沙粒向前移動(dòng)(見(jiàn)圖12(a)和圖12(b))。時(shí)間=0.5 s，直升機(jī)兩側(cè)和前方的流場(chǎng)作用時(shí)間較短，沙粒暫未揚(yáng)起。時(shí)間增加到1.0 s，受到直升機(jī)兩側(cè)地面卷起槳尖渦的作用，沙粒向外移動(dòng)速度更明顯，且受卷起槳尖渦向上誘導(dǎo)作用(見(jiàn)圖13(a)，其中為平面合速度)，沙粒出現(xiàn)起跳、碰撞、輕微揚(yáng)起。時(shí)間增加到2.0 s時(shí)，直升機(jī)兩側(cè)地面卷起槳尖渦所產(chǎn)生的沙粒起跳、揚(yáng)起現(xiàn)象更為明顯。同時(shí)，受直升機(jī)前方卷起槳尖渦誘導(dǎo)的向前地面射流作用(見(jiàn)圖13(b)，其中為平面合速度)，機(jī)頭前部的沙粒向前移動(dòng)和起跳。當(dāng)時(shí)間增加到5.0 s，受兩側(cè)卷起槳尖渦的顯著影響，沙粒揚(yáng)起現(xiàn)象顯著，形成兩側(cè)沙云現(xiàn)象，直升機(jī)前部的沙粒揚(yáng)起現(xiàn)象也更為明顯。當(dāng)時(shí)間增加7.0～10.0 s，直升機(jī)兩側(cè)的沙粒揚(yáng)起速度更快，在重力和流體力作用下，沙粒懸浮并逐步回落，形成典型的回流現(xiàn)象。受直升機(jī)前方卷起槳尖渦作用，直升機(jī)機(jī)頭前部的沙粒揚(yáng)起較為嚴(yán)重，出現(xiàn)懸浮的沙云現(xiàn)象，最終形成典型前飛“沙盲”現(xiàn)象。

圖13 前飛狀態(tài)EH-60L/地面干擾流場(chǎng)Fig.13 Flowfield of EH-60L/ground interaction in forward flight

3 結(jié) 論

耦合旋翼黏性渦粒子和黏性地面氣動(dòng)模型，建立基于離散動(dòng)力學(xué)的沙粒DEM模型和沙粒-流場(chǎng)耦合模型，構(gòu)建直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象分析方法，并應(yīng)用于美國(guó)陸軍Yuma試驗(yàn)場(chǎng)EH-60L“沙盲”計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1) 建立的直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象分析方法較準(zhǔn)確模擬EH-60L全尺寸直升機(jī)近地飛行狀態(tài)下的“沙云”輪廓。

2) 本文方法計(jì)算得到各時(shí)間的“沙云”形狀、揚(yáng)起位置、高度與飛行測(cè)試結(jié)果基本一致，并能較準(zhǔn)確體現(xiàn)各飛行狀態(tài)下的“沙云”形成過(guò)程。

3) 相比基于自由尾跡模型和沙粒起跳罰值等模型的拉格朗日沙粒跟蹤方法，本文建立的直升機(jī)“沙盲”現(xiàn)象分析方法計(jì)算得到的“沙云”輪廓精度更高，與飛行測(cè)試結(jié)果更吻合。

4) 懸停狀態(tài)下的旋翼槳尖渦與地面干擾形成地面射流，推動(dòng)沙粒移動(dòng)堆積，并導(dǎo)致沙粒碰撞起跳，在旋翼/地面干擾流場(chǎng)作用下?lián)P起，形成沙云，覆蓋直升機(jī)前方視野，形成沙盲現(xiàn)象。

5) 前飛狀態(tài)下的旋翼槳尖渦與地面干擾形成兩側(cè)擴(kuò)散卷起槳尖渦和機(jī)頭前方卷起渦，推動(dòng)沙粒移動(dòng)、碰撞起跳，并在槳尖渦誘導(dǎo)作用下?lián)P起，覆蓋直升機(jī)前方視野，形成“沙盲”現(xiàn)象。

后續(xù)研究可將旋翼CFD方法和“沙盲”求解方法耦合，更好體現(xiàn)現(xiàn)代旋翼槳葉先進(jìn)翼型對(duì)“沙盲”現(xiàn)象的影響，并可進(jìn)一步研究旋翼構(gòu)型與氣動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)“沙盲”現(xiàn)象的影響規(guī)律。