旋翼涡环状态中大尺度环状气流生长极限及非对称破缺机理研究

In the Vortex Ring State (VRS), the growth evolution and final breakage of the large-scale annular airflow bring serious aerodynamic problems to the helicopter rotor, which if one of the important factors that limit the flight envelop and affect flight safety. At present, for cases entering the VRS from different flight parameters, the growth mechanism and growth limit of the large-scale vortex ring are still not clear, and the flow mechanism that causes local vortex tube breakage at the end of the evolution remains to be clarified. By carrying out date mining on high-resolution numerical simulation results, this project intends to adopt the research method and related evolution theory of jet vortex ring to study the evolution of non-free large-scale vortex ring with continuous energy input in VRS, and to clarify the circulation growth mechanism and growth limit of vortex ring before it breaks. Taking the local flow instability of the small vortex structure inside the vortex ring as the internal cause and rotation motion of the blade as the external disturbance excitation of the global instability of the large-scale vortex ring, the global linear stability analysis method combining with the topological analysis tool is used to reveal the overall breaking rule as well as the flow mechanism of the large-scale vortex ring. The research results will enhance the understanding of basic flow problems related to large-scale annular flow growth and breakage in the VRS, and provide theoretical guidance for suppressing, predicting and escaping from the vortex ring state.

涡环状态中，大尺度环状气流的生长演化及最终破缺给旋翼带来严重气动问题，是限制直升机飞行包线、影响飞行安全的重要因素之一。目前，由不同飞行参数进入涡环状态时，大尺度涡环生长机制及生长极限尚不明确，引发涡环演化末期出现局部破缺的流动机制有待阐明。本项目拟借鉴射流涡环的研究方法和相关演化理论，对高分辨率数值模拟结果进行数据挖掘，针对涡环状态中带有持续能量输入的非自由大尺度涡环的演化问题开展研究，阐述涡环发生破缺前环量的生长机制及生长极限。将涡环内部细小漩涡结构的局部流动不稳定性作为大尺度涡环全局失稳破缺的内在诱因，把桨叶转动等作为外部扰动激励，使用全局线性稳定性分析法，结合流动结构拓扑分析手段，揭示大尺度涡环的整体破缺规律及背后的流动机制。研究成果将增强对涡环状态大尺度环流生长破缺等基本流动问题的认识，为抑制、预测和改出涡环状态提供理论指导。

目前，涡环状态中大尺度环状气流的生长演化机制尚不明确，引发涡环演化末期出现局部破缺的流动机制有待阐明。为了更高效地对旋翼涡环状态开展数值模拟，本项目发展了一种多实例化求解器架构（Multiple Instance‐Solver Framework, MISF）来组织多个实例化求解器对整个流场进行协同求解。MISF平台基于动态重叠网格技术，将计算域分为部件周围近场网格区域和背景网格区域，背景网格采用基于八叉树数据结构的笛卡尔自适应网格，具有基于流场漩涡结构的网格自适应功能，因此可以对以漩涡为主导的非定常流场开展高分辨率数值计算。MISF平台仅需用户提供部件近场网格和相应输入配置文件，实例求解器之间完全实现自动耦合。开展了基于MISF平台的旋翼悬停验证工作，证明了MISF计算平台的高效性和结果可信性，并在此基础上开展了桨盘由不同下降速率进入涡环状态的数值模拟。为了排除数值计算时非物理启动涡的影响，针对涡环状态数值模拟的初始条件进行了研究，指出了常用的以远场来流速度初始化全流场的方法适合于旋翼悬停、前飞、涡环状态长时间演化等数值模拟，但不适合于涡环状态形成过程的数值计算，提出了一种采用高分辨率悬停流场作为初场，计算涡环状态形成过程的方法。对计算结果进行了对比分析，结果支持下降速率>0.7作为进入涡环状态的判据，对不同下降速率下涡环状态大尺度环流的生长、破碎过程进行了分析和总结。本项目研究对涡环状态大尺度环流生长过程等流动问题增进了认识，为数值模拟涡环状态流动提供了高效计算平台，为后续抑制、预测和改出涡环状态提供了技术支撑。