直升机着舰流场复杂多变,严重影响着旋翼的气动环境,进而影响直升机着舰安全。本文基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术建立了一个直升机动态着舰的数值模拟方法,并以此研究直升机着舰过程中的气动载荷变化。该方法以N-S方程作为控制方程,并选取k-ω湍流模型来提高对涡流场的捕捉精度,采用动量源方法模拟旋翼。应用所建立的方法,着重分析了直升机侧弦进场、垂直降落过程中的耦合流场特征和气动载荷变化。结果表明:直升机侧弦进场时旋翼会与甲板舷涡以及舰船艉部的涡回流区发生较强的涡干扰,导致拉力显著降低,在舰面效应的影响下易产生一个附加的滚转力矩,影响直升机姿态稳定;垂直降落时在上述干扰的综合作用下,旋翼拉力呈现出先减小、后增大的特点,各气动载荷在接近甲板时会出现剧烈的波动,加大了着舰风险。

针对直升机旋翼悬停时,大拉力附近悬停效率降低的情况,本文建立了基于前缘下垂的提升旋翼悬停气动特性的数值模拟方法,以积分形式的雷诺平均N-S方程为主控方程。首先以VR-12翼型为研究对象,研究前缘下垂角度对二维翼型气动特性的影响分析。其次,以修改后的7A旋翼为研究对象,探究了桨叶r/R=0.75~1位置处不同的前缘下垂角度对悬停状态的气动特性的影响。研究发现,前缘下垂对大迎角附近的二维翼型及三维悬停旋翼的气动特性均有较为明显的提升,并且能够有效抑制失速涡的生成。

建立了一个适用于共轴刚性旋翼气动特性分析的数值模拟方法。该方法采用任意拉格朗日欧拉方法（Arbitrary Lagrange Euler，ALE）描述的可压缩Navier-Stokes（N-S）方程求解流场，采用低数值耗散的Roe格式进行空间离散;使用多重嵌套网格方法以模拟双旋翼的运动。针对共轴刚性旋翼配平，引入“差量修正“策略解决了传统配平中雅克比矩阵计算复杂的问题。首先，对Harrington-2共轴双旋翼的悬停气动性能进行了计算，然后，对某2 m直径共轴双旋翼的悬停及前飞状态进行了计算，并与试验值进行了对比。结果表明:在典型状态下拉力系数的计算结果与试验值误差在3%以内，扭矩系数的计算结果与试验值误差基本在5%以内;所采用的数值计算方法对旋翼涡尾迹特征具有较高的捕捉精度，可以有效模拟共轴刚性旋翼悬停和小速度前飞下的复杂流场及其细节特征。

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。