扰动风作用下微型旋翼流场的数值模拟及流动控制研究 (2015年)

对于处在低雷诺数下的微型旋翼，扰动风对其流场影响很大。本文基于动态嵌套网格技术的双时间法，采用网格速度法模拟扰动风，研究了不同频率和幅值的正弦式扰动风下三维微型旋翼上的拉力系数响应情况，并采用变形网格方法模拟了旋翼桨叶的周期性边距运动对扰动风的流动控制，为今后旋翼机的主动控制研究提供了线索。研究结果表明，低雷诺数下，旋翼在周期性扰动风作用下的拉力响应曲线拟合函数与扰动风函数形式相同，响应曲线函数同样具有周期性变化趋势，波动幅值与扰动风幅值成正比例关系；对不同飞行状态下的旋翼，采用周期等角变距方式，能够找到 ### 扰动风作用下微型旋翼流场的数值模拟及流动控制研究 #### 摘要概述 本文探讨了扰动风对低雷诺数下微型旋翼的影响及其流场的变化规律。研究中采用了动态嵌套网格技术和双时间法进行数值模拟，以模拟扰动风环境中的微型旋翼流场。通过对不同频率和幅值的正弦扰动风作用下的三维微型旋翼的拉力系数响应情况进行了分析，并进一步研究了通过改变旋翼桨叶的周期性边距运动来进行流动控制的可能性。 #### 研究背景与意义 扰动风是指大气中由温度、地形等因素引起的风速变化。这种风速变化会对飞行器产生额外的附加载荷，进而影响其气动性能稳定性。对于尺寸较小、通常处于低雷诺数飞行条件下的微型无人机而言，扰动风的影响尤为显著。因此，研究扰动风对微型旋翼流场的影响具有重要的理论价值和实际意义。 #### 数值模拟方法 - **控制方程**：本研究基于三维非定常Navier-Stokes（N-S）方程，采用中心平均的有限体积法在空间上进行离散，在时间上使用双时间法进行求解。湍流模型选用Baldwin-Lomax模型。 - **网格技术**：为了处理旋翼贴体网格与背景网格之间的相对运动，研究采用了动态嵌套网格技术。此外，还利用变形网格技术来模拟桨叶的周期性变距运动。 #### 主要研究成果 1. **扰动风对微型旋翼的影响**：研究结果显示，在低雷诺数条件下，旋翼在周期性扰动风作用下的拉力响应曲线与扰动风函数形式相似，且呈现出周期性的变化趋势。更重要的是，拉力响应曲线的波动幅值与扰动风的幅值成正比。 2. **流动控制策略**：研究还发现，通过采用周期性等角变距的方式，可以有效地调整旋翼在正弦扰动风环境下的拉力波动。这种方法能够在一定程度上抑制旋翼的拉力波动，从而提高微型无人机在复杂环境中的飞行稳定性。 #### 结论与展望 该研究不仅深入探讨了扰动风对微型旋翼流场的影响机制，而且还提出了一种有效的流动控制策略——即通过调节桨叶的周期性边距运动来改善微型旋翼的气动性能。这一成果为未来微型旋翼无人机的设计和控制提供了有价值的参考依据。同时，也为更复杂的流动控制问题提供了一个新的视角，有助于推动该领域的进一步发展。 ### 知识点总结 1. **扰动风的概念**：扰动风是指由地形、温度等自然因素引起的风速变化，它会对飞行器产生额外的附加载荷，影响其气动性能稳定性。 2. **低雷诺数条件下的微型旋翼**：微型旋翼在低雷诺数条件下工作时，扰动风对其气动性能的影响更为显著。 3. **动态嵌套网格技术**：该技术用于处理旋翼贴体网格与背景网格之间的相对运动，适用于模拟复杂的流动问题。 4. **双时间法**：这是一种高效的时间积分方法，用于求解非定常流场问题。 5. **周期性边距运动**：通过调节旋翼桨叶的周期性边距运动，可以在一定程度上抑制旋翼在扰动风环境下的拉力波动，提高微型无人机的飞行稳定性。 6. **流动控制**：本研究提出的通过改变旋翼桨叶的周期性边距运动来实现流动控制的方法，为微型旋翼无人机的主动控制研究开辟了新途径。