对悬停和前飞状态下共轴双旋翼的气动特性开展数值仿真研究。首先,分别对悬停状态的旋翼标模和前飞状态的试验模型计算旋翼拉力系数,数值仿真结果与试验结果符合良好。然后,基于多重参考系法建立共轴双旋翼CFD数值模型,分析共轴双旋翼上、下旋翼气动特性变化规律。结果表明,悬停状态下,共轴双旋翼每个旋翼的拉力系数均低于单旋翼拉力系数,本文算例中,双旋翼/单旋翼拉力比可达1.844,且随转速增加而降低。前飞状态下,从避免风车效应的角度考虑,共轴双旋翼优于单旋翼,旋翼间距近的共轴双旋翼优于旋翼间距远的共轴双旋翼。

针对共轴双旋翼的气动性及其对结构强度性能的动态影响进行数值仿真研究。首先运用多重参考系法计算与分析不同转速下双旋翼及单旋翼的拉力变化规律、双旋翼流场和压强分布规律;然后应用单向流固耦合方法,将Fluent求解得到的旋翼表面压力载荷加载到旋翼结构强度分析模型上,对旋翼的强度进行计算。结果表明共轴双旋翼中上、下旋翼的拉力均低于单旋翼拉力,但双旋翼总拉力显著大于单旋翼拉力,仿真结果与试验值相符;下旋翼受上旋翼尾流影响,上旋翼气动性能优于下旋翼;旋翼桨叶叶根处应力最大、变形最小,叶尖处应力最小、变形最大,桨叶在较小的压力下也可产生较大的变形。

为了改善离心风机的气动音质,课题组设计了一种带旋转导叶的离心风机,采用多重参考系(multi-reference frame, MRF)方法,实现带旋转导叶的离心风机流场仿真,分析了添加与不添加旋转导叶情况下旋转导叶数和旋转导叶型线对离心风机流场的影响。结果表明旋转导叶能有效地均匀离心风机的流场,为离心风机气动音质的改善创造了有利条件;存在最佳的旋转导叶数,使得在流场分布较为均匀时离心风机做功效率最高;旋转导叶型线为反S形时离心风机流场的均匀性明显优于正S形型线。工程应用结果与仿真结果一致。

为了提高旋翼螺旋桨的综合气动性能,基于叶素-动量组合理论并耦合了计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,设计了一款旋翼螺旋桨,进行了螺旋桨巡航及悬停状态的气动特性计算及流场仿真,计算结果与风洞试验数据进行了对比分析。研究结果表明,在进行网格无关性研究基础上,数值计算与风洞试验的误差较小,设计点平均计算误差为3.0%左右,所采用的CFD计算方法具有较高准确性和可信度。设计的旋翼螺旋桨巡航效率高于80%,悬停效率高于70%,具备了较好的巡航及悬停的综合气动性能。