基于合成射流技术的旋翼非定常流动模拟及控制机理研究

There are two special aerodynamic phenomena occuring simultaneously on rotor blades: compressible shock-boundary layer interference and incompressible dynamic stall. These phenomena obstruct the improvements of aerodynamic performance of the rotor. Compared to the conventional aerodynamic design method, active flow control method based upon synthetic jet technique is capable to resolve the two problems at the same time, and it has been the research hotspot of rotor aerodynamics currently.Control mechanisms of synthetic jet on the unsteady flow of rotor and the influences of jet parameters on the control effect will be investigated by numerical simulations in this project. The key and difficult points are as follows:(1) Considering the control of synthetic jet, a set of methods including body-fitted grid around rotor with locally refinement, moving-embedded grid generation approach and grid self-adaptive strategy will be proposed;(2)A high efficiency and high-precision numerical method for simulating unsteady vortex field of rotor will be established; (3) The control mechanisms of synthetic jet on the unsteady flow of rotor will be explored; (4) PIV flow field test about the synthetic jet control on the flow of rotor will be conducted, and preliminary experimental verification about control effects of synthetic jet on the dynamic stall of retreating blade will be performed.As a result, a new technical means for improving the aerodynamic performance of rotor will be presented, and the applications in aeronautical field about the CFD and flow control technique will be enlarged.

旋翼桨叶同一展向剖面在不同方位角处会出现可压缩激波-附面层干扰与不可压缩动态失速两种特殊的气动现象，而传统的气动设计方法已很难同时解决这两方面问题，这严重阻碍了旋翼气动性能的提高。基于合成射流的主动流动控制方法具备同时解决这两方面问题的潜力，已成为当前旋翼空气动力学领域的最新研究热点，本项目旨在通过数值方法探索合成射流方法同时解决旋翼这两种气动现象的作用机理。关键点及难点有：（1）计入射流控制，提出一套旋翼贴体网格、运动嵌套网格生成和网格自适应方法；（2）创建旋翼三维非定常涡流场主动流动控制的高效、高精度数值模拟方法；（3）探索合成射流对旋翼三维非定常流动的作用机理；（4）开展旋翼合成射流控制的PIV流场测量试验，初步验证合成射流对旋翼动态失速的控制效果。本项目的研究成果为显著提高旋翼气动性能提供了全新的技术手段，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范围。

本课题基于新型旋翼运动嵌套网格生成方法，开展了旋翼非定常流场求解的高效、高精度CFD方法研究，并着重对旋翼非定常动态失速现象展开数值模拟与机理分析；在此基础上，开展了合成射流方法对旋翼及翼型动态失速特性影响规律的数值分析，并进行了合成射流控制翼型失速特性的试验研究与旋翼合成射流控制的原理性验证试验。主要内容如下：基于Poisson方程求解方法，建立了一套高效、通用的旋翼网格参数化生成方法，并结合笛卡尔背景网格组成旋翼运动嵌套网格系统；针对嵌套网格方法中关键的洞单元识别及贡献单元搜索问题，分别建立了通用性好的“扰动衍射法”（DDM）和高效的“最小距离法”（MDSDE）。基于可压N-S方程，建立旋翼非定常流场数值分析的高效、高精度CFD方法。为降低非物理数值耗散，分别采用Roe格式和AUSM类格式对无粘通量进行离散；为模拟非定常特性，采用了双时间方法，其中伪时间迭代采用隐式无矩阵存储的LU-SGS方法；针对旋翼流场中可压流动与不可压流动并存的特点，发展了相应的低速预处理方法。基于合成射流激励器出口的非定常吹/吸气速度假定，结合旋翼及翼型的来流条件及运动特性，建立适合于旋翼及翼型主动流动控制分析的射流控制方程。针对单纯合成射流及射流/主流干扰的流场特性进行分析，同时以TAU0015翼型及VR-7B翼型为数值算例，验证了分析方法的有效性。分析了合成射流动量参数对翼型静态、动态失速特性控制效果的影响，揭示了射流在抑制翼型气流分离、改善翼型动态失速特性方面的作用机理。进一步地，开展了合成射流对旋翼非定常气动特性控制效果的数值分析，并获得了有价值的新结论。设计了旋翼翼型和桨叶的气流分离合成射流控制的风洞试验, 获得了与数值模拟相同的结论。在此基础上，提出了合成射流对旋翼翼型失速特性控制规律的定量函数式。