基于非定常旋翼涡控制的涡诱导"桨-涡干扰"抑制机理研究

Blade-vortex interaction(BVI), which induced by rotor wake, can lead to strong vibration and impulse noise, and it become the main reason to hinder the helicopters widely used in civilian and military areas.Conventional aerodynamic design method has limited effect on BVI reduction, and is unable to meet the needs of the future quiet helicopters. Rotor vortex control method based on positive mass jet(blowing) is capable to resolve the problem.The mechanism and effecive mannar for BVI reduction with unsteady rotor vortex control is investigated in this project. The key and difficult points are as follows:(1)A high-precision method for unsteady rotor vortical flow based on high order schemes and adaptive Cartesian grid technique will be proposed;(2)The formation, evolution and movement of tip vortex in complex aerodynamic environment will be studied;(3)The congtrol mechanism of jet (blowing) on unsteady vortex structure and blade-vortex interaction will be investigated; (4)The type of unsteady excitation and control law will be explored, and the effective flow control method for BVI reduction will be constructed finally. As a result, a new technical means for reducing blade-vortex interaction will be presented, and the applications in aeronautical field about the CFD and flow control technique will be enlarged.

涡诱导作用引起的旋翼桨-涡干扰现象会导致强的机体振动和脉冲噪声，成为了制约直升机在军、民领域进一步广泛应用的重要原因。传统的气动设计方法对于桨-涡干扰的抑制作用有限，无法满足未来安静直升机发展的需要。基于质量射流（吹气）的旋翼涡控制方法具备了解决该问题的潜力。本项目旨在通过数值方法探索基于非定常旋翼涡控制的桨-涡干扰抑制方法和作用机理。关键点及难点有：(1)建立基于高阶离散格式和笛卡尔自适应网格技术的旋翼非定常涡流场数值方法；(2)阐明复杂气动环境下旋翼桨尖涡的形成、演化和发展过程；(3)研究射流控制对非定常桨尖涡结构和桨-涡干扰抑制的作用机制；(4)探索有效的非定常激励形式及相关控制律，构建高效的旋翼桨-涡干扰流动控制方法。本项目在非定常旋翼涡控制方法探索方面是具有创新性的研究，其成果可为显著降低桨-涡干扰提供全新的技术手段，同时扩大了计算流体力学及流动控制技术在航空领域的应用。

旋翼桨尖涡对直升机的振动、噪声等特性有着重要影响，传统的气动设计方法对于桨-涡干扰的抑制作用有限，无法满足未来安静直升机发展的需要。本项目的研究内容围绕旋翼桨尖涡及其主动控制律展开。主要研究了基于高阶、低耗散WENO格式的高精度旋翼桨尖涡数值模拟方法，并对适用于桨尖涡精细捕捉的网格加密方法和笛卡尔自适应网格技术进行了研究。采用建立的方法开展了复杂气动环境下旋翼桨尖涡形成、演化过程的研究，在此基础上研究了定常质量射流对旋翼桨-涡干扰抑制的作用机制研究，并计算分析了定常和非定常激励对悬停和前飞状态旋翼桨尖涡的控制规律。. 通过对以上研究内容的研究，取得的标志性成果有：（1）建立了基于高阶Roe-WENO格式和自适应网格技术的高精度旋翼桨尖涡数值模拟方法，并发展了相应的基于OPENMP并行技术的高效CFD求解器；（2）应用所建立的高阶高精度方法，对旋翼桨尖涡的生成及演化过程进行了细致模拟，揭示了桨尖涡的生成本质，并定量地给出了旋翼桨尖涡涡核半径、涡核速度和涡核径向位置等随方位角的演化规律，为后续旋翼桨尖涡的主动流动控制提供了依据；（3）进行了悬停状态旋翼桨尖涡定常质量射流控制的参数化影响研究，得到了不同桨尖马赫数和总距条件下旋翼桨尖涡的定常质量射流控制律，量化了不同射流速度和射流角对旋翼桨尖涡涡核半径、速度和强度等的控制效果；（4）通过定常和非定常两种控制方式开展了前飞状态下旋翼桨尖涡的主动控制研究，通过变换射流强度和非定常射流的周期等得出了前飞状态旋翼桨尖涡的控制律，为旋翼桨-涡干扰的抑制提供了理论基础和技术支持。