Взаимодействие лезвия и вихря - Blade-vortex interaction

Моделирование завихрений на концах лопастей вертолета с помощью DLR
Наконечник Vortex Rollup

А лопаточное вихревое взаимодействие (БВО) - нестационарное явление трехмерного характера, возникающее при лопасть ротора проходит в непосредственной близости от сарая концевые вихри от предыдущего лезвия. В аэродинамический взаимодействия представляют собой важную тему исследования в винтокрылый аппарат область исследований из-за неблагоприятного воздействия на шум ротора, особенно в условиях полета с понижением на низкой скорости или маневра, который создает большую амплитуду импульсивный шум.

Классы лопаточных вихревых взаимодействий

В литературе выделяются разные классы БВО в винты вертолетов в зависимости от воздействия вихрь ось относительно размаха лопасти.[1][2] Как правило, его можно разделить на четыре различных типа, которые будут описаны следующим образом:

Параллельные БВО

Параллельный BVI возникает, когда оси вихря и лопасти номинально параллельны. Это явление BVI, которое дает наибольшую амплитуду импульсный (гармонический) шум, за счет этого нестационарный вихрь движется навстречу потоку.[3][4]

Перпендикулярные БВО

Перпендикуляр BVI возникает, когда оси перпендикулярны и параллельны плоскостям. Из-за его низкой нестабильности шумовое воздействие перпендикулярного BVI менее значимо по сравнению с параллельным BVI. Он производит непрерывный широкополосный шум характеризуется гораздо меньшей интенсивностью по сравнению с импульсный (гармонический) шум, что вызвано параллельным BVI.[5][6]

Наклон БВО

Косой BVI возникает между вихрем и лопастью, когда оси наклонены. В области вертолетных исследований косой BVI является обычным явлением, которое выглядит как промежуточное действие параллельного BVI и перпендикулярного BVI.

Ортогональные БВО

Ортогональный BVI возникает, когда оси вихря находятся в ортогональных плоскостях. В контексте применения вертолета ортогональное взаимодействие обычно возникает между концевые вихри генерируется главный ротор и лезвие хвостовой винт.

Способы прогнозирования БВО

Являясь преобладающим источником шума, явление BVI также может быть вредным для целостности конструкции лопасти из-за неустойчивых колебаний аэродинамики, таких как вихревой удар и динамический стойло в отступающем клинке. Таким образом, Британские Виргинские острова становятся главной задачей в области исследования вертолетов. Чтобы лучше понять характеристики потока BVI и подавить шум и вибрация активно, важно точно прогнозировать Британские Виргинские острова. В последнее время инструменты для захвата BVI можно разделить на три части, которые будут описаны следующим образом:

Испытание в аэродинамической трубе

Лопасти ротора SMART будущего

Что касается аэродинамических проблем, аэродинамическая труба Тест - это основной инструмент, используемый в исследованиях. В 1994 г. исследователи из Немецкий DLR, Французский ONERA, НАСА Лэнгли, и Управление аэродинамики армии США (AFDD) сформировало международный консорциум для выполнения комплексной экспериментальной программы, получившей название HART I (Higher Harmonic Control Аэроакустический Rotor Test I) на большой низкоскоростной установке DNW (немецко-голландская аэродинамическая труба). В этом тесте 40% масштабированный Модель ротора БО-105 Наряду с фюзеляжем используется ряд сложных методов измерения для измерения уровень шума, поверхностное давление лезвия, концевые вихри, движения лопастей и структурные моменты с применением входов управления шагом HHC (Higher Harmonic Control) и без него.[7] В 2001 году была проведена обновленная программа под названием HART II для улучшения базового понимания и аналитических возможностей моделирования шума BVI ротора с входами управления высшим гармоническим шагом (HHC) и без них, в частности влияния следа ротора на ротор. шум и вибрация.[8]

аналитические методы

Точное моделирование вихревая структура в будить является важной частью исследований Британских Виргинских островов. В настоящее время ， аналитические методы для регистрации феномена BVI в основном основаны на модели свободного следа, которая имеет высокую эффективность, но серьезно зависит от эмпирических параметров и не может включать вязкость воздуха эффект, кроме того, аэродинамика рассчитанные в модели свободного следа, основаны на теория подъемных линий с недостатком в захвате воздушной нагрузки и описании поля потока, особенно для характеристик трансзвуковой поток.[9]

Методы вычислительной гидродинамики

За последние пятьдесят лет Вычислительная гидродинамика (CFD) методы получили большое развитие со времен CFD метод был впервые применен к вертолет исследования 1970-х гг.[10] Разработка роторного CFD проходила в три этапа.

Уравнения полного потенциала основаны на теория потенциального потока, но результат, вычисленный этим методом, обычно больше, чем реальный, поскольку он игнорирует влияние будить. В настоящее время его можно применять и для прогнозирования BVI из-за превосходных преимуществ в вычислительной эффективности.[11] С развитием компьютерных технологий, Эйлер /Уравнения Навье-Стокса начали использовать для аэродинамических исследований ротора. По сравнению с уравнением полного потенциала, Эйлер /Уравнения Навье-Стокса может не только точно фиксировать явление нелинейного потока в поле потока ротора, но также может фиксировать движение лопасти кончик вихря в вычислительной области. В настоящий момент, Эйлер /Уравнения Навье-Стокса стали доминирующим методом в области роторных CFD из вертолет. Однако из-за усложнения поля потока ротора остается еще много проблем, требующих решения, таких как движение лопастей, упругая деформация, плотность сетки и захват ротора.

Гибридные методы

В настоящее время исследователи разработали гибридные технологии для решения вышеуказанных проблем. Например, высокая верность моделирование отдельных вихрей (DES) метод был применен для точного прогнозирования воздушных нагрузок возле лопасти;[12][13] адаптированный метод химер-сеток был использован для точного улавливания вихревого сарая лопастями;[14] то CFD / CSD (Computational Structure Dynamics) широко использовался для более эффективного учета изменения поля потока, вызванного упругой деформацией лопаток.[15] Между тем, некоторые ученые начали вводить модель дискретных вихрей с высоким разрешением (DVM) в CFD / Метод CSD. В CFD / CSD / DVM метод позволяет не только повысить точность расчета BVI, но и эффективно устранить недостатки CFD методы на численные, кроме того, это может значительно сократить источники вычислений.[16][17][18] Это важное направление, которое заслуживает дальнейшего развития в прогнозировании BVI.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дональд, Роквелл (январь 1998 г.). «Взаимодействие вихря с телом». Ежегодный обзор гидромеханики. 30: 199–299. Bibcode:1998АнРФМ..30..199Р. Дои:10.1146 / annurev.fluid.30.1.199.
  2. ^ А.Т., Конлиск (30 августа 2001 г.). «Современная аэродинамика винта вертолета». Прогресс в аэрокосмических науках. 37 (5): 419–476. Bibcode:2001PrAeS..37..419C. Дои:10.1016 / S0376-0421 (01) 00011-2.
  3. ^ Ruth.M, Мартин; Wolf.R, Splettstoesser (1987). «Акустические результаты акустических испытаний взаимодействия лопасти и вихря 40-процентного ротора в DNW». Встреча специалистов AHS по аэродинамике и акустике.
  4. ^ Wolf.R, Splettstoesser; К, Дж, Шульц; Рут М., Мартин (1987). «Идентификация источника импульсного шума взаимодействия лопасти ротора и вихря и корреляция с прогнозами следа ротора». 11-я конференция по аэроакустике, конференции по аэроакустике. Дои:10.2514/6.1987-2744.
  5. ^ Д. Стюарт, Папа; Стюарт А. Л., Глегг; Уильям Дж., Девенпорт; Кеннет С., Виттмер (1 октября 1999 г.). «Широкополосный вертолетный шум, создаваемый взаимодействиями следа от лезвия». Журнал Американского вертолетного общества. 44 (4): 293–301. Дои:10.4050 / JAHS.44.293.
  6. ^ Юнг Х Ю (февраль 2000 г.). «Шум взаимодействия лопасти ротора с вихрем». Прогресс в аэрокосмических науках. 36 (2): 97–115. Bibcode:2000PrAeS..36 ... 97Y. Дои:10.1016 / S0376-0421 (99) 00012-3.
  7. ^ Y.H, Yu; Б, Гмелин; H, Хеллер; Джей-Джей, Филипп; Э, Меркер; Дж. С. Прейссер (1994). «Аэроакустические испытания ротора HHC в DNW - совместный немецкий / французский / американский проект HART». Материалы XX Европейского форума винтокрылых машин..
  8. ^ Юнг Х, Ю; Чи, Тунг; Беренд ван дер, Валл; Хайнц Юрген, Паусдер; Кейси, Берли; Томас, Брукс; Филипп, Бомье; Ив, Делриё; Эдзард, Меркер; Курт, Пенгель (11–13 июня 2002 г.). «Тест HART-II: след от ротора и аэроакустика с входами для управления высшим гармоническим тоном (HHC) - совместный проект Германии / Франции / Нидерландов / США -». 58-й ежегодный форум Американского вертолетного общества.
  9. ^ Q.J, Чжао; Г.Х., Сюй (2006). «Гибридный метод на основе метода Навье-Стокса / свободного следа / решателя полного потенциала для моделирования потока в роторе». Acta Aerodynamica Sinica (на китайском языке). 24 (1): 15–21.
  10. ^ А, Багай; Дж. Г., Лейшаман (1995). «Моделирование свободного следа ротора с использованием псевдо-неявного алгоритма релаксации». Журнал самолетов. 32 (6): 1276–1285. Дои:10.2514/3.46875.
  11. ^ R.C, Strawn; F.X, Карадонна (1987). «Консервативная модель полного потенциала для потоков ротора». Журнал AIAA. 25 (2): 193–198. Bibcode:1987AIAAJ..25..193S. Дои:10.2514/3.9608.
  12. ^ B, Джаяраман; A.M, Wissink; Дж. У., Лим (январь 2012 г.). «Предсказание Helios взаимодействия лопастных вихрей и следа за ротором HART II». 50-е совещание AIAA Aerospace. Дои:10.2514/6.2012-714. ISBN  978-1-60086-936-5.
  13. ^ A.M, Wissink; B, Джаяраман; А, Датта (январь 2012 г.). «Расширения возможностей в версии 3 кода моделирования вертолетов Helios High-Fidelity». 50-е совещание AIAA Aerospace. Дои:10.2514/6.2012-713. ISBN  978-1-60086-936-5.
  14. ^ М., Дитц; E, Kramer; С, Ван (июнь 2006 г.). «Сохранение кончика вихря на главном несущем винте в полете на медленном спуске с использованием адаптированных к завихрению химерных решеток». 24-я конференция AIAA по прикладной аэродинамике. Дои:10.2514/6.2006-3478. ISBN  978-1-62410-028-4.
  15. ^ Х.К., Ли; J.S, Kwak; С.Дж., Шин (май 2009 г.). «Аэродинамическое / структурное / акустическое прогнозирование ротора HART II с использованием слабосвязанного анализа CFD-CSD». 65-й ​​Ежегодный форум Американского вертолетного общества.
  16. ^ R.E, Браун; А.Дж., Линия (2005). «Эффективное моделирование следа с высоким разрешением с использованием уравнения переноса завихренности». Журнал AIAA. 43 (7): 1434–1443. Bibcode:2005AIAAJ..43.1434B. Дои:10.2514/1.13679.
  17. ^ C.J, He; Дж. Г., Чжао (2009). «Моделирование динамики следа ротора методом вязких вихревых частиц». Журнал AIAA. 47 (4): 902–915. Bibcode:2009AIAAJ..47..902H. Дои:10.2514/1.36466.
  18. ^ Юнцзе, Ши; Йи, Сюй; Гохуа, Сюй; Пэн, Вэй (февраль 2017 г.). «Муфтовый метод VWM / CFD / CSD для прогнозирования воздушной нагрузки ротора». Китайский журнал аэронавтики. 30 (1): 204–215. Дои:10.1016 / j.cja.2016.12.014.

внешняя ссылка