15-桨叶结冰对旋翼气动特性影响的计算-胡立芃-6
6页1、第二十六届(2010)全国直升机年会论文桨叶结冰对旋翼气动特性影响的计算胡立芃 刘国强 唐正飞(南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室,南京,210016)摘 要:用CFD、动量-叶素等方法建立一套桨叶结冰后旋翼气动特性分析方法。包括:二维翼型结冰的建模;二维翼型结冰后气动特性的计算方法;旋翼结冰对旋翼悬停性能的影响分析。本文使用UH-1的结冰实验数据验证了算法,并对国产直八直升机进行结冰前后的对比计算。计算结果表明积冰状态下桨叶翼型的升力系数降低,阻力系数增大。最终结果表明:积冰严重影响着旋翼的性能,这与由相关实验得出的结论一致。关键词:结冰;直升机;旋翼 1引言直升机结冰是一个老问题,也是公认的危及飞行安全的严重问题,特别是直升机旋翼系统结冰比固定翼飞机更加敏感,由于其自身具有可用功率有限,操纵面较小等特点,积冰更易使直升机造成危险。美国在19822000年统计,因结冰引起583起飞行事故,造成800多人死亡1。为了实行直升机全天候安全飞行的目标,各国针对直升机结冰问题做了大量研究。目前国内外针对旋翼桨叶结冰的研究方法主要有:在真实结冰气象条件下进行飞行试验;在人工气候实验室制
2、造的模拟云中进行飞行测试;数值计算和风洞试验。如西科斯公司已经从事结冰研究以及防冰系统的研发超过57年,进行了直升机真实结冰气象的飞行试验,旋翼和翼型全尺寸模型以及缩比例模型的风洞试验。19世纪70年代,西科斯公司研制的电加热除冰系统,安装在2400架黑鹰直升机,现在仍然是一种有效的防冰系统。NASA也承担了结冰对旋翼翼型影响,直升机旋翼桨叶防/ 除冰系统等问题的研究,建立了实用的旋翼翼型结冰数据库,同时发展了LEWIC结冰计算程序。LEWIC可以计算直升机在结冰条件下的流场、水滴撞击特性,模拟结冰过程。国内也对结冰模型2、流场计算3、水滴撞击特性等方面做了大量研究,分析了结冰对翼型气动性能的影响,以及旋翼的防/ 除冰系统的防护范围4等。本文将采用数值计算方法,通过建立二维翼型结冰的数学模型,预测结冰后翼型形状,进而分析翼型结冰后的气动特性,采用动量-叶素结合方法分析结冰对旋翼气动特性影响。2结冰后的外形确定结冰的数值模拟主要分为:网格生成、空气流场计算、求解水滴运动方程、冰生长模型。由于过冷水滴在流场中的体积含量很小,不能够影响空气的流动,因此空气控制方程同水滴控制方程可以单独求解。
3、流程如图1,首先计算空气流场,在求解出水滴粒子的撞击特性和运动轨迹后,建立单位控制体积内的质量和能量平衡冰生长模型,模拟结冰过程.当翼型形状改变后需要重新生成网格计算,直到所需的结冰时间为止。 图 1 结冰外形计算流程图2.1 空气流场计算本文将采用FLUENT计算空气绕机翼运动的外流场,由于本文假设的结冰部分发生在靠近桨根部分,空气速度较低,使用用定常、不可压纳维斯托克斯(N-S)方程,积分形式如下: (2-1) (2-2) (2-3) (2-4)其中为流体的瞬时密度,u、v为流场速度在两个坐标方向的分量,E是系统的总能,Q为是通过系统界面以热传导形式传递给系统的热量。压力-速度耦合采用SIMPLE算法5,在中心有限体积法基础上,采用中心格式离散N-S方程。湍流模型使用Spalart-Allmaras模型。流场计算结果再作为已知条件,用于水滴运动方程的求解。2.2 水滴运动方程求解采用欧拉参考系下的水滴连续性方程和动量方程6分别为: (2-5) (2-6)其中,水滴的容积分数,水滴的速度矢量,空气的速度矢量,K空气-水滴交换系数: (2-7)公式中:空气动力粘度,水滴直径,阻力函数,
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