基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,数值研究了涵道螺旋桨气动性能随螺旋桨桨盘位置的变化规律。结果显示:涵道螺旋桨总拉力和总气动效率都大于普通螺旋桨,但涵道内螺旋桨拉力小于普通螺旋桨;随着桨盘位置逐渐向涵道后端靠近,涵道内螺旋桨拉力先减小后增大,涵道附加推力先增大后减小;涵道螺旋桨总拉力受涵道附加推力影响较大,涵道附加推力主要由涵道内壁面决定;当桨盘在涵道型面最大厚度区域的中间位置,涵道内壁面桨盘前低压区最小,桨盘后高压区面积较大,此时涵道附加推力最大,使得涵道螺旋桨总拉力最大。

以类S97构型的高速直升机为研究对象,通过全机平衡方程的建立,开展共轴双旋翼、尾部推进桨的气动特性研究,着重分析了不同前进比下转速变化对拉力/推力、功率的影响,研究其气动环境与常规直升机的差异,并从全机角度出发,进行共轴双旋翼、尾部推进桨的功率占比分析,研究旋翼转速、飞行速度、需用功率之间的内在关系,得到了高速直升机气动特性的基本规律以及影响其气动效率的一些因素。

以NACA0012为基准翼型,生成C型结构网格,采用SA湍流模型求解NS方程,获得基准翼型压力分布数值模拟结果。找出翼型上表面前缘低压区域和后缘高压区域,在两个区域进行开孔,让后缘高压区域气流通过导流管引流到前缘区域,加速翼型上表面气流流动,增大翼型速度环量。通过基准翼型与开孔翼型气动特性对比分析可知:小迎角下,基于压力分布的开孔翼型阻力系数略有增大,但能有效提高翼型的升力系数。

采用阻尼网数值模型和改进的延迟脱落涡(IDDES)湍流模拟方法,计算了阻尼网用于控制圆柱流动和噪声的场景,研究了阻尼网的控制机理和规律。计算中,阻尼网呈圆弧形,放置于圆柱之前,探索了不同开孔率的影响。阻尼网能够通过影响圆柱的分离区和涡脱特性来影响振动和噪声辐射。开孔率为0.55时,阻尼网可以消除由圆柱涡脱引起的主导频率振动,极大降低下游尾迹区的湍流脉动,无量纲湍动能最大值从0.19降到0.09。在远场噪声方面,该阻尼网能在90°方向降低总声压级3.5 dB。

采用高效的自由尾迹方法求解旋翼流场,在获得旋翼桨叶气动载荷的基础上,利用基于紧致源模型的FW-H方法进行旋翼载荷噪声计算。旋翼厚度噪声预测方面,使用三维网格对桨叶外形进行描述以提高精度。基于建立的旋翼气动噪声预测方法,开展了旋翼操纵量(总距、周期变距)、桨叶挥舞运动以及轴倾角等旋翼运动参数对气动噪声的影响分析。重点针对典型桨-涡干扰状态,分析了参数对桨-涡干扰(BVI)噪声指向性的影响规律。结果表明,旋翼运动参数尤其是桨叶周期变距运动,对气动噪声特性的影响较大,获得准确的桨叶运动参数和旋翼轴倾角是提升噪声预测精度的途径之一。

采用基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的CFD方法和运动嵌套网格技术,建立了共轴刚性旋翼/机身气动干扰分析方法,并采用风洞试验数据进行了验证。计算分析了不同总距下共轴刚性旋翼与机身间的气动干扰特性。结果表明,随总距增加,旋翼拉力逐渐增大,但由于旋翼和机身的相互干扰现象,旋翼和机身的拉力总和降低。这是由于受旋翼下洗流影响,机身会产生较大的呈四阶变化负升力,导致总拉力降低。此外还发现,在机身干扰作用下旋翼非定常拉力峰值显著增大,桨盘平面诱导速度分布更加不均。

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,数值研究了涵道螺旋桨非定常旋转流场特性,比较研究了普通螺旋桨与涵道螺旋桨的推力、压力、流线等的分布规律,分析了涵道螺旋桨的气动机理。结果显示,虽然涵道螺旋桨产生的拉力小于普通螺旋桨,但涵道会产生附加推力,所以涵道螺旋桨总拉力大于普通螺旋桨,且总扭矩较小,因此气动效率更高。涵道提高螺旋桨气动效率的机理主要有三点一是减小了滑流速度,螺旋桨产生的推力减小,但滑流损失降低;二是涵道减小了滑流区域环向诱导速度,从而减小了滑流区静压损失;三是涵道改变了螺旋桨桨尖绕流特性,消除了桨尖分离涡和叶素表面分离涡,从而增大桨尖部位叶素升阻比。

为研究双层平尾对旋翼/平尾干扰的抑制机理,采用基于动量源模型的CFD方法建立了旋翼/平尾干扰计算模型,获得了不同前进比下的不同平尾构型的旋翼/平尾气动干扰计算结果,分析了旋翼干扰状态下的不同构型平尾的载荷和流场特点。结果表明平尾干扰载荷在前进比0.05时最大,相比单层平尾,双层平尾的干扰载荷下降约43%;双层平尾的上下双层设计降低了单层平尾面积,减小了由于旋翼尾迹撞击在上层平尾上而产生的干扰载荷;由于上层平尾的遮挡作用,减弱了旋翼尾迹对下层平尾的干扰作用。

为研究水平转弯状态的旋翼气动噪声特性,基于Camrad II计算得到的旋翼非定常气动载荷,采用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程计算了旋翼气动噪声特性。在相同转弯半径下计算分析了前进比对旋翼气动力和噪声的影响;同时基于二级声辐射模型开展了地面声场计算。计算结果表明旋翼拉力和桨涡干扰会对旋翼噪声产生影响,在某些工况下都可能起主导作用;合理地选择转弯状态可以降低旋翼噪声水平。当转弯半径为40 R时,左转弯状态最佳前进比为0.25,右转弯状态最佳前进比为0.2;不同前进比对应的最大地面等效连续声级差异能够达到7 dB。

在某型直升机液压油箱的设计过程中为了解决液压油箱内大直径活塞与外筒内表面之间的密封问题在经过充分的理论分析的基础上提出了密封改进措施精选了4种液压油箱活塞密封设计方案并对每种活塞密封设计方案的结构特点、密封原理及优点等进行了详细的分析说明。在此基础上进行了充分的试验验证通过试验及分析选出了最优液压油箱活塞密封设计方案解决了液压油箱油液渗漏的问题同时也为同类型液压系统故障问题提供了有益借鉴。