倾转旋翼/机翼干扰流场高精度模拟方法及流动机理研究

In transition mode, wake generating from tiltrotor blades will distort, stretch, and interact with wings, leading to the tiltrotor’s fiercely unsteady flow effects of aerodynamic characteristic and having serious effects on the stability and the safety of tiltrotor. In the research, the mechanism of the unsteady flow interference between tiltrotor and wing is to be revealed by establishing a high precision and efficiency CFD method. Numerical simulation and correlative experimental study of unsteady and complicated flow of tiltrotor/wing in transition state will be carried out.The research includes:(1) establishing a high-precision adaptive embedding grid method of vorticity transport technique for improving the accuracy of simulation of vortex field, (2) developing a high-efficiency and low-dissipation numerical simulation of 3D unsteady vortex field of tiltrotor, (3) establishing a reasonable tiltrotor/wing model, and the flow mechanism and aerodynamic characteristics of the rotor "Vortex ring State" in the transition over tiltrotor/wing will be investigated through the refinement of numerical simulation. (4) designing a reasonable plane of the tiltrotor/wing interference flow test, carry out an experimental study on the interference flow of tiltrotor/wing. The research results of this project will lay a theoretical foundation and analytical means for improving aerodynamic performance and safety of tiltrotor.

过渡状态倾转旋翼桨叶上拖出的尾迹将会发生畸变（弯曲和拉伸），并与机翼相互干扰，导致倾转旋翼气动特性出现严重非定流动效应，给倾转旋翼机的稳定性、安全性带来严重影响。本项目通过发展高精度、高效率数值计算方法，开展过渡状态倾转旋翼/机翼非定常复杂流动数值模拟和相关试验研究。研究内容包括：（1）研究高精度涡量输运的自适应运动嵌套网格数值方法，提高涡流场模拟精度;（2）发展倾转旋翼三维非定常涡流场的高精度、低耗散的数值模拟方法；（3）建立合理的倾转旋翼/机翼模型，通过精细化数值模拟，探索过渡过态下倾转旋翼/机翼非定常复杂干扰流动和干扰环境下旋翼“涡环状态”流动机理和气动特性;（4）合理设计倾转旋翼/机翼干扰流动试验方案，开展倾转旋翼/机翼干扰流动试验研究。本项目研究成果将为提高倾转旋翼气动性能和安全性奠定理论基础和分析手段。

倾转旋翼机既有直升机的悬停/低速飞行能力，又有固定翼飞机高速/大航程的优点，是极具发展潜力的一种飞行器。提高对倾转旋翼在直升机工作模式（悬停、低速飞行）与飞机工作模式（高速飞行）之间的过渡过程中非定常流场的变化规律的认识，已成为旋翼空气动力学研究领域的急需解决的棘手问题。开展过渡状态倾转旋翼/机翼非定常流动机理以及“涡环状态”机理研究，研究对于改善倾转旋翼机的气动特性、提高过渡状态下飞行品质和飞行安全都有重要的理论和实际应用价值。现有的方法在用于这一领域时存在鲁棒性不高、计算效率低，特别是非定常流场模拟方面还存在精度不足等缺点。. 本项目主要研究内容有：(1)适合倾转旋翼干扰状态的高精度、高效运动嵌套网格数值方法。(2)高精度、低耗散的倾转旋翼/机翼非定常干扰流场模拟方法；(3)倾转旋翼/机翼非定常流动机理数值模拟研究；(4)倾转旋翼/机翼干扰流动机理试验研究。.通过研究，本项目获得了一种低涡量耗散的适用于绕“双转轴”运动的旋翼/机翼运动嵌套网格数值方法；获得了一种适合于高度复杂的干扰涡流场模拟的高精度、高效CFD方法；完成了直升机模式、固定翼模式、过渡状态、涡环状态非定常干扰流动机理数值模拟；通过试验获得了倾转旋翼机多种工作状态下的气动力、流场速度分布等重要数据。. 获得高精度数值模拟方法计算结果与试验数据吻合良好，说明其计算结果可靠。通过试验以及数值模拟得到了倾转旋翼飞行器多种工作状态下全面的流场信息，包括流场速度分布、旋翼/机翼表面气动力、桨尖涡运动和演化等。通过对试验及数值模拟数据的研究已经逐步揭示了倾转旋翼/机翼干扰流场的流动机理，通过进一步的分析研究可以推广用于倾转旋翼全机干扰流场分析研究。