高速共轴刚性旋翼非定常流动高精度数值模拟

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29064

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高速共轴刚性旋翼非定常流动高精度数值模拟

韩少强¹(), 宋文萍², 韩忠华², 许建华²

^1.四川大学计算机学院天府工程数值模拟与软件创新中心，成都 610065
^2.西北工业大学航空学院气动与多学科优化设计研究所，西安 710072

收稿日期:2023-05-30 修回日期:2023-07-13 接受日期:2023-09-06 出版日期:2024-05-15 发布日期:2023-09-15
通讯作者: 韩少强 E-mail:hanshaoqiang@scu.edu.cn
基金资助:
中国博士后科学基金(2022M722244);航空科学基金(ASFC-20230007019001)

High-accuracy numerical-simulation of unsteady flow over high-speed coaxial rigid rotors

Shaoqiang HAN¹(), Wenping SONG², Zhonghua HAN², Jianhua XU²

^1.Tianfu Engineering-oriented Numerical & Software Innovation Center，College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065，China
^2.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerodynamic Design and Research，School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710071，China

Received:2023-05-30 Revised:2023-07-13 Accepted:2023-09-06 Online:2024-05-15 Published:2023-09-15
Contact: Shaoqiang HAN E-mail:hanshaoqiang@scu.edu.cn
Supported by:
China Postdoctoral Science Foundation(2022M722244);Aeronautical Science Foundation of China(ASFC-20230007019001)

摘要/Abstract

摘要：

高速共轴刚性旋翼在前飞状态下会产生复杂的非定常涡干扰流动结构及较强的激波，对高速直升机的气动、噪声及振动特性有着重要的影响，这些流动现象的高分辨率捕捉是高速直升机CFD研究中的难点之一。发展了可在大规模并行计算中实现负载均衡的运动嵌套网格系统，提出了能够在人工边界上保持高阶精度的高效嵌套关系辨识及插值方法；在嵌套网格上应用了发展的谱特性自适应优化的五阶非多项式重构WENO格式（WENO-K）和改进的延迟脱体涡模拟（IDDES）方法，从而提高对非定常多尺度流动结构的空间数值分辨率及时间保持能力。针对简单四桨共轴旋翼及X-2验证机的八桨共轴旋翼，进行了非定常涡流场高精度数值模拟，研究了高速共轴刚性旋翼桨尖涡结构的生成、发展、演化过程及涡干扰机制。计算结果表明，高阶格式结合IDDES方法能够显著降低数值耗散并提高多尺度湍流结构的分辨率，捕捉到了桨尖涡的高速发展演化过程及桨-涡干扰现象，并能够分辨出桨叶后缘生成的马蹄状的精细涡面结构，有利于高速共轴旋翼涡流场干扰机制及气动噪声的深入研究。

关键词: 高速直升机, 共轴刚性旋翼, 高阶格式, IDDES, 非定常流动, 桨尖涡

Abstract:

High-speed coaxial rotor systems generate complex unsteady vortical flow structures and strong shock waves at forward flight， which significantly impact the aerodynamics， noise， and vibration characteristics of high-speed helicopters. Capturing these flow phenomena with high resolution is one of the challenges in computational fluid dynamics research for high-speed helicopters. To address this challenge， a dynamic overset grid system capable of load balancing in large-scale parallel computations is developed. An efficient method for identifying overset relationships and an interpolation technique that maintains high-order accuracy at artificial boundaries are proposed. A novel fifth-order WENO-K scheme with adaptively optimized spectral characteristics has been introduced to enhance the numerical resolution and preserve the structures of rotor tip vortices. Additionally， an improved Delayed Detached Eddy Simulation （IDDES） method is used to capture the smaller-scale vortex structures and their unsteady fluctuations in the wake region. High-accuracy numerical simulations of unsteady vortical flow fields of a simple four-blade coaxial rotor and an eight-blade coaxial rotor similar to the X-2 configuration have been conducted. The generation， development， evolution， and vortex interference mechanisms of blade tip vortices of the high-speed rigid rotors are analyzed. The computational results demonstrate that the high-order schemes， when combined with the IDDES method， can effectively reduce numerical dissipation and enhance the resolution of multiscale turbulent structures， and successfully capture the rapid development and evolution of rotor tip vortices， as well as blade-vortex interactions. The sophisticated horseshoe-shaped vortex surface structures formed at the trailing edge of the rotor blades can be also discerned. These findings contribute to a deeper understanding of the vortex interference mechanisms and aerodynamic noise in high-speed coaxial rotor flow fields.

Key words: high-speed helicopter, coaxial rigid rotor, high-order scheme, improved delayed detached eddy simulation （IDDES）, unsteady flow, blade-tip vortex

中图分类号:

V211.3

韩少强, 宋文萍, 韩忠华, 许建华. 高速共轴刚性旋翼非定常流动高精度数值模拟[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529064-529064.

Shaoqiang HAN, Wenping SONG, Zhonghua HAN, Jianhua XU. High-accuracy numerical-simulation of unsteady flow over high-speed coaxial rigid rotors[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(9): 529064-529064.

图/表 33

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参考文献 27

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

插值方法	插值时间/s	流场迭代时间/s	计算时间增加/%
三线性插值	0.28	117.73
高阶拉格朗日插值	4.73	122.29	3.87

方法	时均C_L		时均C_D
方法	取值	误差/%	取值	误差/%
试验^［25］	0.931		1.517
URANS+3rd Roe	1.159	24.5	1.931	27.3
IDDES+5th WENO-K	0.932	0.1	1.471	3.3

旋翼参数	数值
桨叶数量N	2+2
桨叶平面形状	矩形
桨叶剖面翼型	NACA0012
旋翼半径R/m	2.0
上、下旋翼轴向距离/m	0.3
桨叶弦长c/m	0.22
桨叶根切	0.212R
桨叶扭转	无

计算方法	C_T
3rd MUSCL+RANS	0.001 076 1
5th WENO-K+RANS	0.001 107 0
5th WENO-K+IDDES	0.001 119 2

展向位置（r/R）	剖面翼型名称	剖面翼型外形
0.142	DBLN-526
0.331	DBLN-526
0.468	SC1012-R8
0.568	SC1012-R8
0.600	SSCA-09
1.000	SSCA-09

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