绕直升机旋翼复杂非定常粘性流动的数值模拟研究

旋翼计算流体力学是计算流体力学领域具有挑战性的课题，也是航空工业界急需解决的关键技术问题。旋翼计算流体力学的发展水平离工业界的要求还有很大的差距，存在这种差距的主要原因是旋翼流场的复杂性对数值技术提出了更高的要求。本项目将针对旋翼计算流体力学的关键问题，开展如下研究：(1)发展一种三阶低耗散的Godunov格式，用以精确模拟旋翼的涡流场，同时也可以高分辨率地捕捉前进桨叶上的激波；(2)通过预估桨尖涡的轨迹，发展一种可以自适应捕捉桨尖涡的重叠网格方法；(3)应用RANS/LES混合方法，力求精确模拟桨叶的动态失速过程,同时考虑涡核对湍流的抑制作用；(4)为了显著提高绕旋翼复杂非定常流动的计算效率，非线性频域方法将会替代传统的时域方法。综合以上研究成果，形成具有工程应用价值的旋翼气动力计算平台。同时，相关研究成果对复杂流场计算技术的发展也有裨益。

旋翼流场的数值模拟一直是直升机工业界迫切需要解决的问题，也是计算流体力学领域具有挑战性的课题。由于旋翼流场是一个涡主宰的流场，涡的精确模拟，尤其是桨尖涡的精确模拟对于旋翼流场数值模拟的成功至关重要。旋翼桨尖涡的捕捉，既对数值格式的耗散性提出了要求，还需要在涡核出现的地方有足够密集的网格。同时前飞流场是一个高度非定常的流场。因此，高效率数值方法和高阶低耗散数值格式是旋翼计算流体力学的研究热点。本项目主要围绕这两个方面的内容开展研究工作。首先，发展了一种高效率的时间谱方法，并结合多重网格方法，将其应用到旋翼的前飞流场数值模拟中，使得计算效率大为提高。发展了一种基于重叠网格的高阶谱差分方法，并将其应用到悬停旋翼无粘流场的数值模拟中，应用三阶谱差分方法可以捕捉到4圈桨尖涡。发展了一种低耗散的WENO-HLLC格式，并应用于旋翼噪声的数值预测，取得了很好的计算效果。另外，本项目还提出了一种十分高效的自动化重叠网格方法。以上研究内容已经初步建立起一个高效率、高精度的旋翼计算流体力学平台，为后续更深入的研究提供了坚实基础，也为直升机工业界提供了重要的技术支撑。