旋转叶片物面边界层脉动压力特征研究

Boundary layer transition plays an important role in the aerodynamics of rotating blade of helicopter main rotor and wind turbine, and the transition position has become an important design parameter. The lake of the knowledge about the transition mechanism and 3-D rotational effect mechanism on rotating blade is an important reason for the difficulty to improve the numerical simulation accuracy, which limits the capability of performance evaluation and design. In present project, a rotor model with 2 pitch-angle-changeable blades is used to investigate the features of wall pressure fluctuation in regions of laminar-transition-turbulent and transition position detection on rotating blade based on wind tunnel test techniques and advanced data processing technology. The researches are mainly consist of: (1) research on the method of forced- transition on rotating blade and its efficiency, (2) research on the method of wall fluctuation pressure acquisition, (3) using advanced data processing technology to analyze and extract the features of pressure fluctuation in laminar-transition-turbulent region, (4) research on the correlation of wall pressure fluctuation with flow pattern and proposal of transition criterion. Finally, after all of the above researches accomplished, experiment results and scientific basis will be provided for the further researches on transition model building and the transition mechanism and 3-D rotational effect mechanism for rotating blade.

直升机旋翼和风力机叶片等旋转叶片表面边界层转捩对叶片性能有重要影响，转捩位置已经成为重要的设计参数。对旋转叶片边界层转捩机理和三维旋转效应机理认识不足，是制约旋转叶片数值模拟精度的重要原因，限制了叶片性能评估和设计能力的提高。本项目拟基于桨距角可变的旋转叶片模型采用风洞试验和现代数值处理技术，开展旋转叶片表面边界层层流区、转捩区和湍流区的脉动压力特征和转捩位置探测的研究。主要研究内容有：（1）旋转叶片固定转捩方法和有效性研究；（2）旋转叶片表面脉动压力信号的采集方法研究；（3）采用现代数据处理方法，深入分析并提取层流区、湍流区和转捩区的脉动压力信号特征；（4）建立脉动压力信号和表面流动特征的关联关系，提出边界层转捩的判别准则。通过上述研究，为建立旋转叶片边界层转捩模型和进一步研究旋转叶片转捩发生机理及三维旋转效应机理提供试验结果和科学依据。

直升机旋翼和风力机叶片等旋转叶片表面边界层转捩对叶片性能有重要影响，转捩位置已经成为重要的设计参数。对旋转叶片边界层转捩机理和三维旋转效应机理认识不足，是制约旋转叶片数值模拟精度的重要原因，限制了叶片性能评估和设计能力的提高。本项目基于螺旋桨模型的风洞试验，开展旋转叶片表面边界层层流区、转捩区和湍流区的脉动压力特征和转捩位置探测的研究，采集了高速旋转叶片表面的动态压力数据，获得了在旋转叶片表面压力的动态特征，并通过分析动态压力特征，获得旋转叶片表面压力的静态均值、动态特征，并进行了转捩位置探测的方法研究。本项目的研究结果对旋转叶片的转捩探测技术发展、旋转叶片表面转捩机理研究和先进螺旋桨的设计提供了理论依据。.项目完成的主要研究工作有：.1）设计、加工了无线高速动态数据采集系统。该采集系统改善了传统在传统螺旋桨试验中，使用滑环进行数据传输时，信号畸变和损失的问题，可以进行高采样率的动态压力采集。采集频率100kHZ，完全满足进行动态数据分析和转捩位置探测的要求。.2）设计、加工了用于动态试验的螺旋桨模型。模型表面展向布置10个动态测压孔间距小于展长的10%；将传感器直接安装在模型表面，保证了采集信号的真实性。.3）开展了旋转叶片表面动态压力信号的采集方法研究，并完成了风洞试验。分析了在高速旋转条件下，动态信号的采集方法，并在NF-3风洞完成了螺旋桨表面动态压力测量试验，共计3个试验风速，每个风速下测试11个前进比；通过试验，采集了数量庞大的动态压力数据，给数据分析和动态转捩模型的建立提供了依据。.4）开展了螺旋桨表面动态压力信号的分析和转捩特征的提取方法研究。分析了实验数据的频率特征，提出了频谱分析和脉动压力RMS值相结合的边界层转捩特征提起方法。结果表明，本项目发展的方法可以将转捩位置特征表现的非常明显。.5）分析了螺旋桨表面层流区和湍流区内的动态压力特征，并研究了螺旋桨表面的转捩位置随前进比的变化。结果表明：随着前进比的增加，转捩位置从内侧向外侧逐渐移动。