主旋翼尾流干扰对尾桨推力在侧风的影响

文摘

反向踏板操作属性前面侧风飞行条件是一个潜在的危险事故损失的尾桨有效性(LTE),这是密切相关的主要转子(先生)后干扰尾桨(TR)。作为交互的理解是至关重要的预警策略发展后先生影响影响TR推力和直升机航向稳定性的影响在本研究中进行研究。为此,比较TR推力和流场与风方位和速度在侧风环境是由实验和CFD模拟,分别。在执行测试活动 在中国空气动力研究与发展中心风洞使用近bottom-blade forward-rotating TR逆时针旋转,解决TR推力8-22米/秒的风速下50°,60°、70°风方位角》。圆盘加载也对比先生的影响。CFD分析被用来洞察物理流负责干扰的效果。它与不稳定Reynolds-averaged进行n - s模拟,使用磁盘驱动器的方法先生和TR叶片旋转是通过滑动网格建模的方法。结果表明,先生盘涡具有显著的干扰效果对TR气动性能特点和受风速的影响,风向和圆盘加载先生。观察到的偏航稳定性被认为是相关的较小的圆盘先生提出的流入涡由于盘涡旋线的相对位置变化和TR风方位。TR推力在中等风速的增加是由于前沿动态压力增加造成相反的圆盘漩涡的漩涡方向对比TR。先生盘加载影响TR推力盘涡强度的变化和位置。

1。介绍

鉴于其独特的能力的徘徊和垂直起飞和降落航班,直升机经常需要完成具有挑战性的任务在侧风环境,尤其是在复杂的环境风的地区,山和海洋等领域,特别是对于救援任务,紧急服务和军事行动。定向控制问题在悬停和低速飞行时遇到侧风一般发生在单一主旋翼直升机(先生)配置;这些问题通常与尾桨的财产(TR)空气动力学性能1- - - - - -3]。美国联邦航空管理局(FAA)咨询通告90 - 95描述了这种情况下的损失TR有效性(LTE),这是一个关键的低速气动飞行特点,导致一个意外的快速偏航[4]。美国国家运输安全委员会已经确定了LTE作为一个因素在一些民用直升机事故,驾驶员已经失去了控制5]。LTE限制了直升机的飞行包线在极端环境中。例如,港口和船的右舷风边界直升机操作一架舰载直升机的局限性制约踏板保证金(6,7]。因此,更好地了解TR在侧风条件下所产生的推力是有价值的直升机飞行任务规划、飞行员训练、和控制系统开发。

先生的干涉效应后TR的性能有很大的影响。如果直升机暴露在一个大型侧滑侧风的面前,然后TR位于下游的先生和部分沉浸在先生。先生在一定速度条件下,之后将宏观圆盘边缘卷成两个反向旋转的漩涡8),与固定翼背后漩涡。与所谓的交互先生盘涡front-quartering风地区之间的滑动角45°、70°可能导致突然的变化产生的推力TR,作为飞行测试演示了通过Ellin山猫直升机(使用9]。操纵四等分的地区将需要额外的踏板活动应对突然的变化在TR推力。此外,修剪的踏板输入模式实现直升机与风方位非单调变化,由飞行测试(如图所示10]。贝尔206直升机LTE事故的调查由澳大利亚运输安全管理局透露,作为直升机的飞行员位四等分的侧风,他最初有一个踏板操作TR推力的变化做出反应,回应先生盘涡干扰;然而,他没有正确的踏板操作时先生盘涡的影响减弱,导致一个未预料到的快速偏航[11]。鉴于先生盘vortex-TR交互操作会严重威胁安全,联邦航空局建议提供一个警告LTE (4]。

大量相关研究MR-TR交互现象在侧风环境进行了推导TR设计指南针对定向控制问题发生在一些新的直升机开发过程(12- - - - - -14]。波音公司进行了风洞试验,逆时针旋转(CR)先生和一个可移动的TR试验台对比TR配置;它显示的速度35 kt,低和midposition TR产生显著增加推力下降近60°风方位,这可能导致损失的偏航稳定(15,16]。HELIFLOW项目进行了风洞实验子任务命名成直角的飞行。相比四TR配置包括两个高度位置和两个旋转方向60°风方位。结果表明,叶片顶部遭受了突如其来的推力复苏后旋转TR当风速0.06[预付款比例的增加17,18]。布朗采用涡度运输模型来计算TR性能在60°侧滑。这项研究有助于理解为什么扭转TR旋转会引起显著差异在其推力(19,20.]。

美国联邦航空局最近提出了一个研究项目,目的是检测接近LTE事件在直升机飞行数据监测。一个基于物理原理的LTE模型仍然是正在探索的过程中,提高检测的准确性(21]。因此,提出了一种改进的理解TR推力特性在一个大侧滑飞行和底层机制,可用于基于物理模型开发过程是急需的。飞行员的经验有时需要给相反的踏板运动保持一个恒定的标题在某个大侧滑角在一条狭窄的速度范围4,10]意味着偏航稳定在这个风地区是特别的。

尽管先前的研究特点TR的性能与各种TR配置相关干扰影响先生局限于某一常数侧滑角(16- - - - - -20.)、文学偏航稳定特性产生推力的TR(即造成的。,the slope of TR thrust versus wind azimuth) in the presence of MR wake interference in a quartering wind region is limited. Studies [22,23)检查TR推力0°-360°的侧风方向的变化在一个固定的风速。然而,间隔30°风方位应用于这些研究是大量获得偏航稳定细节和风速区域有限。

在当前的工作中,进行风洞试验的推力特性量化bottom-blade forward-rotating TR在50°,60°、70°风从8米/秒风速方位角》22 m / s,包括CR先生的相互影响,探讨偏航稳定行为四等分的直升机飞行状态。完整的TR绕流和孤立的TR配置被CFD模拟开发物理洞察潜在机制导致这些影响。其他参数,如不同的推力系数先生。

2。实验装置

2.1。模型描述

照片的模型如图1。实验进行一个CR先生和bottom-blade forward-rotating TR模型附近的垂直高度,枢纽中心。先生模型是一个直径3米Mach-scaled bo - 105先生,由四个刀片,一个中心,和一个旋转斜盘。TR由两个刀片和一个中心。TR没有配备防波板,及其集体螺距可以变化通过改变不同的中心。两个转子的属性表进行了总结1。类似uh - 60的机身模型是用来保护先生和TR平衡和简化测试平台。TR关于先生的位置如图2。

2.2。设备规范

开启测试部分的实验研究 空气声学的风洞在中国空气动力研究与发展中心,这是一种低速,回归循环式风洞最大流量为80 m / s和自由流湍流程度低于0.2%。试验装置是安装在后方支持系统在风洞试验大厅。风可以遥控直升机模型的方位sideslip-shift机制的支持系统。在机身的身体,five-component平衡测量中心先生部队在三轴和俯仰和滚中心时刻。转矩细胞附着在转子轴测量扭矩。一个120千瓦的电动机,把先生是安装在机身下面的表现。TR,连同20千瓦的电动机和传动动力,是安装在六个组成平衡连接在机身内部的骨架。平衡的准确性在0.03%,平衡TR推力方向的分辨率为0.24 N。两个编码器被连接到先生和TR的轴,每提供一个64 /转速旋转方位信号。

2.3。测试内容

测试是建立在两个部分。第一部分探讨了TR推力的变化与风速在不同风方位角度。在本部分中,风速清洁工8、11、13、14、16、19日和22 m / s进行50°,60°、70°右舷风方位角度。风向角的定义如图3。先生被修剪到指定的推力系数、滚动和俯仰时刻都接近于零。

调查方向稳定性特征由TR快速和低成本的方式,集体螺距TR被设置为一个固定值在本研究11°。虽然每个飞行的直升机的总体偏航平衡条件并不满意,这种简化会得到直升机的方向稳定性。在偏航稳定的情况下,直升机应该倾向于回到一个平衡条件时受到某种形式的偏航扰动。鉴于垂直安定面有一个有限的低飞行速度条件下的电梯,偏航稳定主要可以检测到曲线的斜率TR推力与风方位。偏航稳定特征,发现了这个计划之前已经广泛应用于风洞(15和数值模拟22,24)的研究。

测试的第二部分关注的对比的效果先生TR的圆盘上的负载性能。数据获得的推力系数较低60°风先生的方位与空速清洁工与第一部分相同。表2提供了详细的测试条件。

先生到达后削减目标在每个测试条件,数据信号数字数据采集系统上同时记录。数据记录包括两个余额的部队和时刻,瞬时两转子转动的速度,隧道先生转矩和速度。两个平衡的信号过滤,数据记录时稳态值。转子推力系数计算如下: 在哪里是空气密度,计算的温度和大气压力测试期间的记录,然后呢 , ,和转子盘区、转子角速度分别和半径。

3所示。数值方法

3.1。数值方法

先生的描述后使用打翻网格技术是一项非常耗时的任务由于孔切削过程和数据传输之间的供体和受体细胞在每个时间步(25,26]。磁盘驱动器的方法已被用于执行成功的旋翼模拟MR-fuselage [27,28],MR-TR [22],MR-tail繁荣[29日],MR-lateral转子和翅膀30.,31日)交互计算。一些研究人员已经证明,一个特征的圆盘漩涡醒先生是著名的相干supervortices,下游的叶尖涡卷起(32]。之前由Ellin[侧面的飞行测试调查9]表明,不稳定的TR的加载信息,通过测量压力沿前缘水龙头,不包含一个重要的组件的叶片通过频率先生这一现象发生的由于聚结的漩涡陷入相干supervortices涂片颞可变性在TR附近速度场大大先生叶片通过频率。虽然在获取磁盘驱动器的方法有一定的局限性的轨迹叶尖涡先生先生的气流或相干supervortices之后可以准确、有效地考虑它。因此,磁盘驱动器的方法可以用来生成后在TR先生现在的数值模拟。占TR叶片的相对运动的非均匀后,本研究中使用的滑动网格模型解决time-accurate TR推力的解决方案。

一个三维非定常Reynolds-averaged n - s CFD框架使用的是模拟。二阶空间方案有限体积方法用于空间离散化。可压缩流的动力学与预处理技术被用来处理可压缩和不可压缩流场在TR。一个隐式非定常流规划求解理想气体和SST (Mentar) - - - - - -ω湍流模型。时间步长设置为对应1°转子的旋转方位扫描。

3.2。几何和网格

TR和机身几何用于测试用于生成一系列的六面体的非结构化网格。先生的建模是进入动量方程的源项的形式分布在虚拟磁盘先生。先生的影响叶片流场几何是所描述的空气动力学行为的叶片的升力和阻力系数得到相应的二维截面叶片。源的强度分布交互条款确定的几何先生和当地的速度场。

计算域(图4)由一个旋转区域内的网格体积随着TR叶片几何旋转,和不旋转机身体积是由磁盘先生和几何学。旋转区域是一个圆柱半径为1.05。圆柱体的高扩展2.2提示弦长度TR飞机的前方和后方。每个旋转卷是有界的滑动网格界面传递信息的体积不旋转。先生周围的体积网格执行器磁盘,机身,TR精制捕捉的细节之后先生和TR叶尖漩涡。最初的墙间距TR无因次网格的大小 和挤压0.3弦长在墙上,这是正常生成棱镜边界层网格。计算域是一个长方体从−2.5至5倍的半径的先生 - - - - - -方向(自由流方向),−2 - 2乘以半径的先生 - - - - - -方向(横向)和−2到3倍的半径的先生 - - - - - -方向(垂直)。整个网格系统包含大约1350万个网格点。

3.3。计算内容

计算的主要目标是获得流动细节,获得基本的认识MR-TR干扰现象,和识别机制的偏航稳定特征的侧风环境。因此,进行了CFD的分析风洞模型配置三个风速地区选择基于他们不同的偏航稳定特性。第二个目标是量化TR推力的变化导致通过空气动力学交互先生为此,孤立的TR CFD结果评估。

4所示。结果与讨论

4.1。TR推力特性

图5介绍了结果TR推力系数与风速在不同的风方位角度值。点的实线表示风的测试结果,空心点代表的CFD结果TR推力的影响下,先生和虚线点显示了孤立的TR推力。MR-TR配置结果比较在同一先生推力系数为0.01。在这些情况下,一个令人满意的协议实现,仿真和实验结果之间,平均误差百分比TR推力系数下先生互动呈现在图5是5.5%。因此,孤立的TR推力的分析和气动干扰后先生的TR基于模拟流场是可靠的。

在正确的侧风条件下,自由流风经过TR,它增加了平面外流入,这类似于攀岩的飞行状态先生显然,孤立的TR推力与风速和风力方位单调减少,预计由于较强的流入。

TR在每个风推力方位角显示非凡的复苏速度中度区先生的影响下的整体趋势TR推力风速的函数在60°风参方位普遍赞同。(17- - - - - -20.]。此外,TR推力的变化的差异与风方位是每个风速之间明显的地区,导致更复杂的偏航稳定特征在侧风飞行。

检查偏航稳定风速地区差异更明显,TR的推力系数在不同的风速与风方位角(即。8、12和22 m / s)如图6。TR推力佳人的斜坡方位有显著差异特征下,温和,和更高的风速区域。在较低风速(8 m / s),最大TR推力发生在50°风力方位角和TR推力为70°风方位角略高于60°风方位角情况下,非单调的推力曲线。在温和的风速范围内恢复了TR推力时,TR达到最大推力为70°风方位角,和山坡上的转子推力不同风方位角是积极的,表明不稳定的偏航控制将由这个地区的试点经验。随着风速进一步增加,TR推力简历后与增加风速的减小趋势,TR推力显示了一个单调减少佳人方位角范围内检查。因此,生成的偏航稳定TR已恢复。

4.2。先生对TR后干扰的影响

在本节中,先生盘涡的演化过程及其对TR的撞击效应分析在风速为8,12,22米/秒。

图7显示了 - - - - - -标准色的 - - - - - -每个风力方位角下定向速度大小8 m / s。鉴于压力之间存在的差异的上下表面盘先生在前进和后退,先生醒卷起形成一条沿着下游集中漩涡,这是生成的原理类似于固定翼飞机的翼尖涡。盘涡旋脱落先生从推进位于垂直低于TR 8 m / s和相交TR的底部,如图8,盘涡诱导内洗TR。图9比较了phase-averaged流入速度轮廓TR盘的前面的飞机上。先生内心的影响引入的洗盘涡的三个方位案例明显在当地增加光盘的TR流入涡撞击的位置。风方位角的增加,阀瓣涡丝往往更切TR圆盘平面,导致组件的盘涡激速度进入TR飞机削弱。因此,8 m / s侧风先生的主要干扰效应后的TR是增加流入TR,随后减少TR叶片的攻角元素,导致减少推力。这种效应与风方位角的增加,缓解了。

考虑到自由流速度在侧风条件下也会改进TR流入,这效果更加减少低风方位角。最大TR推力发生在50°风方位范围内检查8 m / s,因为最低的轴向自由流速度在这个方位。TR推力为70°风方位略大于60°风方位的情况下,这是由流入引起的增强效果大大缓解,鉴于TR位于近的边缘盘涡先生(图7 (c))。此外,TR轴盘涡旋线平行。

图10显示每个风力方位角下后12米/秒风速。与较低的风速8 m / s,先生盘涡的结构和位置显著变化;盘涡的结构变得更加集中;和漩涡核心向上移动,垂直接近TR中心。值得注意的是,阀瓣涡向右移动,相对于TR佳人方位增加(如红色圆圈所反映出的图10)。在这个风速、空气动力干扰效应的盘形涡流先生TR可以分为两个方面。首先,集中涡诱导旋转圆盘平面TR组件,人物(11日)显示截面上的速度矢量分布的距离0.45 r_TRTR飞机前50°风方位角。鉴于TR的旋转相对集中涡,这种效应会增加TR叶片的前缘动压,这种机制类似于布朗的研究(20.]。比较,在60°和70°风另图所示11 (b)和11 (c),分别。从人物、TR走向的集中涡核心随着风方位角的增加。具体来说,阀瓣处70°风力涡核半径外的方位角是TR,盘涡的诱导速度和增加了TR和推进的比例对TR绩效有积极影响。

第二个方面的主要盘转子涡流效应在风速区域引入了额外的流入TR盘。在数据比较结果9和12高峰期,流入的位置在TR盘增加水平与TR中心由于阀瓣涡动起来。随着风方位角的增加,阀瓣涡丝和TR轴之间的角度减少,和阀瓣组件进入TR盘涡激速度降低。因此,TR推力是减轻负面影响,导致TR推力增加佳人方位角的温和的风速范围,和突然失去偏航稳定可以发生。

此外,在风速区域,TR的气动性能特点是freestream的影响。虽然前面侧风速度的增加伴随着更大强度的流入TR, TR推力特性是由先生盘涡干扰的影响在这个温和的风速范围。TR推力仍随风速在每一个风方位角。

图13显示每个风力方位角下后22米/秒风速。先生盘涡的结构和相对位置关系TR接近12米/秒风速情况。盘涡的位置稍微向上,漩涡变得更加集中。横截面上的速度矢量分布方面的TR平面如图14。的平面部分盘涡仍然增加了前沿动态压力或TR的推进率,和出平面组件还增加了TR流入。然而,考虑到自由流足以弥补先生盘涡的干扰,侧风速度的影响中起主导作用的特点,尾巴的性能。因此,TR的推力与风速减小,这与风方位角的增加下降,从而恢复偏航稳定。

4.3。盘加载先生的影响

TR推力系数先生获得的推力系数0.008和0.01在60°风方位角情况绘制风速的函数,如图15。TR推力增加,风速降低圆盘加载情况下先生在实验和数值数据。图16TR附近比较后得到的CFD模拟12米/秒的风速下两盘载荷先生。它说明了,当推力系数减少,先生先生盘涡强度也降低和阀瓣涡高度增加。的还原后强度先生,增加对TR流入的影响应该被削弱,从而减少对TR推力的负面影响。此外,随着阀瓣漩涡,相对盘涡之间的垂直距离和TR的增加,这是类似于降低TR。测试由威斯纳和科勒(15]表明,TR安装在较低的位置表现出更高的推力在风的测量面积比安装在较高的位置。

5。结论

本研究通过风洞试验和数值计算,分析了空气动力学行为的bottom-blade forward-rotating TR在高的位置和流场干扰的进化MR-TR风力另和速度的不同组合下的侧风环境。TR得到提供的偏航稳定特征,和底层机制进行了分析。先生的圆盘加载的影响对TR性能还在调查中。可以得出的结论如下。(1)阀瓣涡产生的压力差之间的上、下表面的盘有很大的气动干扰效应先生TR。这干扰可以分为两个方面。一方面,阀瓣的方向涡TR的旋转方向相反,从而增加叶片的前缘的动态压力和提高了TR的推力。另一方面,阀瓣涡的诱导速度进入TR盘,从而增加TR的流入,从而降低TR的推力(2)在较低风速,盘涡低于TR;它引发出平面流入速度TR。最大的TR推力发生在50°风方位,和这一现象是由自由流速度成为占主导地位的相对较小的方位。的非单调性质TR推力更大的方位地区显著减少造成的额外流入70°风力方位,对应的盘涡先生更远的距离(3)温和的风速地区,盘涡移到TR和更集中的结构中心。TR推力随风速由于盘漩涡的方向是相反的TR。TR推力增加单调佳人方位角由于减少平面外流入组件。因此,偏航控制不稳定将有经验的飞行员在本研究地区(4)在高风速地区,自由流足以抵消圆盘涡的影响,尽管盘涡仍然存在。的推力TR简历的趋势与侧风速度的增加和减少风方位角。产生的推力TR提供偏航稳定在这个地区的研究(5)随着圆盘加载先生,先生的垂直位置盘涡略向上,和先生盘涡的强度会降低。减少内部清洗和相对集中涡之间的垂直距离和TR同时改进TR推力(6)在侧风环境中,空气动力干扰效应后先生的TR TR的配置密切相关。在特定的直升机飞行力学模型的分析,之后先生的演化特征及其对TR应该考虑空气动力干扰效应。

命名法

:	转子推力(N)
:	空气密度(公斤/米3)
:	转子半径(米)
:	转子盘区(m2)
:	转子推力系数
:	预付比例
:	转子角速度(rad/s)
:	自由流速度(米/秒)
克雷格:	逆时针方向旋转
先生:	主旋翼
TR:	尾桨。

下标

先生:	主旋翼
TR:	尾桨。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文中所进行的工作是由中国国家自然科学基金(1167021313)。

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