利用 Fidelity CFD 嵌套网格实现直升机旋翼桨毂涡旋释放仿真

来自宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室和航空航天工程系的 Norman F. Foster、Jim G. Coder 和 Warren J. Baker 使用了 Cadence Fidelity Pointwise 嵌套网格对直升机旋翼桨毂涡旋释放进行了仿真。

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简介

尽管直升机空气动力学涉及的力与飞机空气动力学中的力是同一种，但由于直升机飞行过程涉及到流体流动动力学，它的力产生方式有所不同。直升机利用沿旋翼叶片的自由气流产生升力和推力。在旋翼系统中，旋翼桨毂紧扣叶片并将其连接到系统的主轴上。直升机依靠旋翼来飞行、横向移动、360 度转弯和改变飞行高度。

直升机驾驶员通过斜盘组件对旋翼叶片角度进行必要的调整，斜盘组件由上下两部分组成。上斜盘通过连杆与旋翼轴连接，而下斜盘则固定不动，两块斜盘之间用滚珠轴承隔开，所以上斜盘可以在下斜盘上方自由旋转。

在飞行器总寄生阻力中，旋翼桨毂周围的气流占了很大一部分，约为 20-30%，在直升机设计阶段需要对这类气流进行阻力预测分析。旋翼桨毂尾流会影响尾翼，甚至会损害直升机的结构稳定性。

一直以来，旋翼桨毂尾流分析是在风洞中进行的；现在，利用 Cadence Fidelity CFD 等 CFD 解决方案，可以使用嵌套网格或滑移网格进行流场计算，从而精确捕捉涡旋释放。

图 1.旋翼桨毂风洞试验（左侧），旋翼桨毂 CAD 模型（右侧）。

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旋翼桨毂涡旋释放的挑战

直升机尾流不稳定时会形成涡旋。旋翼桨毂尾流中的涡旋释放模式在很大程度上取决于雷诺数和直升机机体的运动。

图 2. 旋翼桨毂的 Q 准则等值面。

在直升机飞行器结构动力学中，从旋翼桨毂流出的复杂气流是一个重要问题。对于前进飞行中的直升机来说，巨大的气流会吹向尾翼并与之发生相互作用。而这种相互作用令人担忧，因为飞行器结构通常会对尾流施加的外力做出反应。这些大型气流具有很强的垂直性，因此有必要控制和减轻它与结构之间的相互作用。使用带有嵌套结构网格的 CFD 解决方案来准确预测涡旋释放行为，对直升机设计有很大的帮助。

从概念上讲，嵌套网格生成分为离体网格（或背景网格）以及求解几何体和粘性效应的近体网格。通常会使用结构化六面体组件网格，因为它具有高效、精确的优点。

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Fidelity CFD 嵌套网格划分技术的优势

Cadence Fidelity Pointwise 利用行业领先的网格生成技术，可生成结构化、非结构化、嵌套和混合网格，以满足各种应用需求。Pointwise 提供简单易用的 API 接口，可灵活集成到外部 CFD 工作流程中。

图 3. 在 Fidelity Pointwise 中创建的旋翼桨毂嵌套网格。

使用 Pointwise 中的嵌套网格组件工具，可以创建高质量的结构化网格，用于准确分析涡旋释放形式的旋翼桨毂湍流。虽然非结构化网格通常比结构化网格更容易生成，但不可避免地会降低边界层等关键区域的求解精度，而且所需的单元数量通常比结构化网格多得多。

嵌套网格划分和嵌套网格组件 (OGA) 工具协同工作，可根据嵌套范例选择匹配的网格划分工具，从而生成最佳仿真模型。网格组件的反馈可为网格改进提供参考。近体、离体和嵌套网格修复均可实现自动化，以最大限度地提高用户效率。图 3 中，在流固耦合区域对旋翼桨毂网格进行细化，对于准确预测阻力至关重要。

总结

对旋翼桨毂涡旋释放进行仿真，以准确预测影响直升机飞行器结构动力学的寄生阻力，这对于直升机的设计至关重要。

Fidelity Pointwise 利用嵌套网格划分和 OGA 工具，能够以必要的精细度捕捉流体-结构相互作用和湍流区域。Pointwise 提供自动网格划分功能，无需用户过多干预，可最大程度提高网格划分效率。