针对直升机配平问题,基于CFD/CSD松耦合策略建立了计入旋翼气弹效应的配平分析方法。旋翼桨叶CSD求解器与旋翼CFD求解器以桨叶弹性轴和变距轴线为媒介,通过线性插值方法交换气动载荷和响应数据。CFD模块和CSD模块在时域内推进,旋翼每旋转一圈交互一次数据,以CFD模块计算的气动力来修正配平计算中气弹分析的气动力输入,直到配平量和CFD气动力在迭代过程中不再变化,即得到耦合配平解。以SA349/2"小羚羊"直升机小速度前飞状态为算例,计算表明所提方法收敛迅速、稳定性良好,计算结果与飞行实测值的对比分析验证了方法的有效性,对桨叶气动力曲线及桨涡干扰等现象具有很好的捕捉能力。

为探究共轴式刚性双旋翼的上下旋翼总距差与气动载荷的关系,平衡上下旋翼力矩差,从而提高双旋翼系统稳定性,以直升机的共轴式刚性双旋翼为研究对象,应用非结构运动嵌套网格技术及计算流体力学(CFD)方法开展直升机共轴式刚性双旋翼在悬停状态下的气动载荷分析研究。计算结果表明下旋翼浸没于上旋翼产生的下洗流中,导致下旋翼的气动性能降低,下旋翼拉力低于上旋翼;在保持下旋翼总距角不变的情况下,随上下旋翼总距差的增大,上旋翼拉力与力矩出现先减后增再减的现象,而下旋翼拉力与力矩则一直呈增大趋势;为实现上下旋翼力矩平衡,通过调整上旋翼总距角,分析了上下旋翼总距差在-1°~0°时上下旋翼气动载荷的变化规律,确定了最佳上下旋翼总距角分别为5.6°和6.0°,实现对双旋翼的力矩平衡。

针对交叉旋翼复杂的气动干扰问题,建立了一种适合于交叉旋翼气动分析的数值模拟方法.该方法采用三维非定常Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方程来求解流场,使用动态嵌套网格方法模拟旋翼运动.使用共轴旋翼悬停实验结果验证了该方法的准确性.利用该方法模拟了交叉旋翼在不同状态下的流场,计算了拉力和悬停效率,并与单旋翼、共轴旋翼计算结果进行对比分析,结果显示交叉旋翼流场存在较强的涡-涡和桨-涡干扰,旋翼桨尖涡在90°/270°附近相交;交叉旋翼的拉力系数及悬停效率随旋翼中心间距增大而增大,随交叉角变化较小;在相同总距角下,交叉旋翼悬停效率高于单旋翼和共轴双旋翼3%~8%.

悬停状态旋翼/机翼机身干扰流场的高精度数值模拟对准确预估倾转旋翼飞行器气动性能具有十分重要的意义,是直升机空气动力学领域的研究热点和难点之一。基于运动嵌套网格技术,建立一套适用于倾转旋翼非定常流场的CFD方法,采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为主控方程,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型,时间推进上采用高效的隐式LU-SGS格式;在此基础上,开展某新型倾转旋翼无人机的旋翼/机翼机身非定常干扰流场数值模拟研究,得到其气动干扰的"喷泉效应"现象;着重研究不同襟副翼预置角对降低悬停状态下旋翼/机翼机身气动干扰作用的影响。结果表明:干扰作用使总拉力损失16.6%,45°襟副翼预置角效果最佳,使全机总拉力损失从原来的16.6%降到13.8%。

建立了一个基于Navier-Stokes（N-S）方程的共轴刚性旋翼气动干扰数值模拟方法。应用运动嵌套网格技术模拟双旋翼反转运动。通过与试验值对比，验证了方法的有效性。分析了共轴刚性旋翼悬停状态的气动性能和流场特征，结果表明，双旋翼气动干扰主要来自4个方面:双旋翼尾迹涡相互诱导引起“涡诱导效应“，使上旋翼气动性能优于下旋翼;双旋翼周期性相遇-离开过程中桨叶附着涡干扰引起“载荷效应“，对应拉力周期性升降波动;双旋翼相遇时“厚度效应“使双旋翼拉力产生相反的脉冲波动;上旋翼尾迹涡与下旋翼桨叶碰撞引起垂直“桨-涡干扰效应“，使下旋翼桨叶展向拉力分布受到干扰。