基于CFD的直升机主旋翼桨毂阻力分析

李东风, 李立州, 肖丰乐, 李彩霞

(中北大学 机电工程学院, 山西 太原 030051)

0 引言

随着高速直升机的发展,如何降低直升机气动阻力功率消耗越来越受到人们的重视。直升机气动阻力主要由机身、主旋翼桨毂和起落架产生[1]。研究表明,现代直升机主旋翼桨毂气动阻力约占总阻力的30%左右[2],减小桨毂的气动阻力是降低直升机功率消耗的一个切实可行的措施。

20世纪70年代,人们通过桨毂的迎风面积根据经验预测桨毂阻力[3];90年代初,NASA采用风洞试验预测桨毂阻力[4-5]。随着风洞试验成本的不断增加和数值分析技术的发展,大量研究对采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术预测桨毂气动阻力的准确性进行了评估:美国的贝尔直升机公司在NRTC/CR项目中采用CFD技术准确地预测了桨毂的气动阻力[6];德国和法国的SHANEL项目检验了CFD技术预测桨毂气动阻力和偏航力矩的准确性[7]。目前,国内还没有针对直升机主旋翼桨毂气动阻力的相关研究。CFD技术在桨毂阻力预测方面应用较晚,其主要原因是:(1)桨毂结构复杂,难以对流域划分高质量的结构网格;(2)桨毂各零件之间的距离较近,存在较强的气流干扰;(3)桨毂为旋转组件且转速较高,所处气流环境十分复杂。

本文采用CFD技术对旋翼桨毂气动性能进行分析,为设计阶段提供更为准确的预测桨毂阻力分析方法。

1 桨毂的主要气动特征

桨毂包含多个部件且多为钝体,钝体绕流必然伴随着气流分离。由于空气具有粘性,因此钝体绕流存在流动分离、流态转换、旋涡脱落、涡致振动等复杂特性。钝体按其形状可分为两类,一类表面呈光滑曲线,如圆柱、球等,绕流边界层在物面的分离点不固定,分离位置和绕流特性随着雷诺数的变化有较明显的变化;另一类表面有角点,如矩形、立方体等,角点成为固定的分离点,并可能在物面再附和重新分离,这类物体的绕流在较大的雷诺数范围内变化不明显[8]。

桨毂的气动阻力分为与气流分离有关的压差阻力和与气流粘性有关的摩擦阻力两部分,其中压差阻力约占总阻力的90%～95%。压差阻力是由分离涡在钝体上脱落引起的[9],其大小与流动分离点的位置有关。若气流分离时边界层内为层流流态,则分离点靠前、压差阻力高,使总阻力大;若气流分离时为紊流流态,则对应的流动分离点延后,压差阻力降低,使总阻力减小[10]。

2 桨毂模型

桨毂模型及主要部件如图1所示,计算域如图2所示。进行桨毂旋转状态CFD分析时,所建立的流场域分为靠近桨毂的旋转区域和外部的静止区域,旋转区域把桨毂全部包裹起来。由于桨毂结构复杂,采用非结构网格生成桨毂流域网格[11]。由于靠近桨毂的气流变化剧烈,因此靠近桨毂的网格划分较密,网格密度自桨毂表面向计算域外边界由密到疏过渡,解决了网格过多、计算时间过长的问题,桨毂附近网格分布如图3所示。

直升机前飞时桨毂向前倾斜一定的角度,桨毂旋转角速度为15.13 rad/s,旋转轴为桨毂的中心轴。流场网格模型的主要边界类型如图2所示,来流速度为81.39 m/s,出口压力为标准大气压,采用Spalart-Allmaras湍流模型[12]。

在CFD分析时需要考虑四种工况下桨毂的气动特性:桨毂在非旋转和旋转状态下的迎风方位,即0°方位和45°方位,迎风方位如图4所示。

图1 桨毂主要部件Fig.1 Main parts of hub

图2 计算域和边界条件Fig.2 Computational domain and boundary conditions

图3 桨毂附近网格分布Fig.3 Mesh distribution around hub

图4 桨毂迎风方位Fig.4 Headwind bearing of hub

3 仿真结果及分析

本文采用Fluent软件对桨毂的外流场网格模型进行计算,桨毂表面压力分布情况如图5所示。

图5 桨毂模型表面压力场云图Fig.5 Surface pressure distributions of hub

由图可以看出,在桨叶柄和中央件迎风前缘发生较大的气流分离。在实际情况中桨叶柄与桨叶相连,桨叶柄前缘不会出现大规模的气流分离,所以气流分离所产生的压差阻力忽略不计。

各工况下桨毂的阻力和相对于桨毂质心的力矩如表1所示。由表1可以看出,与气流分离有关的压差阻力占总阻力的绝大部分。在桨毂处于非旋转状态45°方位时的阻力最大,这与迎风面积有关。桨毂处于45°方位时,桨毂在非旋转和旋转状态下的阻力几乎相等,而在0°方位时有差别。这是由于桨毂在45°方位角时的迎风面积等于旋转时的平均迎风面积,与文献[13]的结论相符;另外,非旋转与旋转状态的阻力相差不大,与文献[7]的风洞试验结果一致。

非旋转和旋转状态的速度云图如图6所示,表明桨毂的气动阻力与桨毂是否旋转无关。

表1 桨毂的阻力和力矩Table 1 Drag and moment of hub

图6 桨毂附近速度分布云图Fig.6 Velocity distribution around hub

非旋转和旋转状态的桨毂表面压力分布如图7所示。可以看出,旋转状态的桨毂迎风面的中央件、桨叶柄和螺距控制杆压力一侧升高,另一侧降低。由库塔-儒科夫斯基升力定理可知,处于旋转状态的桨毂绕流中存在环量与来流叠加,桨毂一侧表面流速加快,另一侧表面流速减缓。由伯努利定理可知流速加快的一侧压力比另一侧小,由此产生压差,导致绕y轴的侧偏力矩明显增大,如表1所示。桨毂的侧偏力矩对直升机机身产生反扭矩,一般通过尾桨产生推力、或拉力通过直升机尾梁形成偏转力矩来抵消桨毂和旋翼的反扭矩。

图7 桨毂表面压力分布云图Fig.7 Surface pressure distributions of hub

4 结论

本文采用CFD技术对直升机前飞状态的桨毂进行气动分析,得出以下结论:

(1)对流场域划分非结构网格可以提高网格生成的效率,采用CFD技术完全可以预测桨毂的阻力和力矩。

(2)桨毂气动阻力的主要来源是由气流分离引起的压差阻力,桨毂处于45°方位角阻力大于0°方位角阻力,说明桨毂阻力与与桨毂的迎风面积有关。

(3)处于非旋转和旋转状态的桨毂阻力几乎一样,说明阻力与桨毂是否旋转无关。

(4)旋转状态的桨毂绕y轴转矩比非旋转状态明显增大,说明旋转是侧偏力矩的来源。

参考文献：

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