龍海斌，吳裕平

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)槳轂是連接旋翼和機(jī)身的重要部件，由于表面有比較多的拉桿、鉸結(jié)構(gòu)等小部件，因此在前飛時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的氣動(dòng)阻力。常規(guī)單旋翼直升機(jī)槳轂阻力一般占全機(jī)廢阻的20%～30%，而共軸式直升機(jī)的槳轂阻力一般占全機(jī)廢阻的50%以上[1]。隨著高速直升機(jī)的快速發(fā)展[2]，氣動(dòng)減阻在直升機(jī)研制中越來越受到重視，其中槳轂減阻是直升機(jī)減阻的重要部分[3],而槳轂阻力特性研究是進(jìn)行氣動(dòng)減阻的基礎(chǔ)。目前通常采用風(fēng)洞或水洞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩種方法對(duì)直升機(jī)槳轂阻力特性進(jìn)行研究。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶▎为?dú)的槳轂?zāi)Ｐ秃蛶灆C(jī)身模型兩種，在帶槳轂機(jī)身模型風(fēng)洞試驗(yàn)中采用去槳轂的方式(增量法)來獲得槳轂阻力特性。文獻(xiàn)[4]采用1:17縮比模型對(duì)某常規(guī)單旋翼槳轂進(jìn)行了水洞試驗(yàn)，研究了不同槳轂構(gòu)型、雷諾數(shù)和方位角時(shí)的阻力特性。文獻(xiàn)[5]在風(fēng)洞中對(duì)2/5縮比的AH-56四槳葉槳轂?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了阻力特性測試試驗(yàn)，得到了不同構(gòu)型、方位角時(shí)的阻力值。試驗(yàn)結(jié)果表明,去掉槳轂頂部的陀螺儀可以降低50%的阻力。文獻(xiàn)[6]在水洞中對(duì)某四槳葉單旋翼槳轂進(jìn)行了阻力特性測試，包括不同雷諾數(shù)和方位角時(shí)狀態(tài)，之后采用不同的求解器和湍流模式對(duì)該槳轂?zāi)Ｐ妥枇μ匦赃M(jìn)行了計(jì)算。文獻(xiàn)[7]在風(fēng)洞中對(duì)四片槳葉單旋翼直升機(jī)機(jī)身和槳轂進(jìn)行了阻力特性試驗(yàn)，得到了不同的槳轂減阻方案的阻力值，對(duì)比分析了槳轂減阻設(shè)計(jì)對(duì)總阻力和極曲線的影響。文獻(xiàn)[8]在直流風(fēng)洞中對(duì)不同的共軸雙槳轂組合模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了不同整流模型、各部件間縫隙和轉(zhuǎn)速對(duì)阻力特性的影響，結(jié)果表明各部件間縫隙和組合方式對(duì)阻力影響比較大。數(shù)值計(jì)算方法主要為CFD方法，該方法在氣動(dòng)特性計(jì)算中應(yīng)用比較廣泛[9]，可以快速計(jì)算得到槳轂以及各組成部件的阻力值，同時(shí)在網(wǎng)格劃分之前可以比較方便地修改槳轂各部件的外形，為槳轂減阻設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。文獻(xiàn)[10]采用CFD方法對(duì)某常規(guī)單旋翼直升機(jī)槳轂的阻力特性進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)構(gòu)劃分為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，包括不同方位角和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的阻力特性。文獻(xiàn)[11]應(yīng)用CFD方法對(duì)某四片槳葉常規(guī)單旋翼槳轂的原有方案和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了阻力特性和流場計(jì)算。文獻(xiàn)[12]采用CFD方法對(duì)某常規(guī)旋翼槳轂在不同方位角時(shí)的阻力特性進(jìn)行了計(jì)算，并與水洞試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析。槳轂附近為嵌套網(wǎng)格，遠(yuǎn)場為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。湍流模式分別為SA-DDES和HRLES模式。文獻(xiàn)[13]首先對(duì)某共軸式直升機(jī)槳轂進(jìn)行了減阻設(shè)計(jì)，之后采用求解N-S方程的方法對(duì)槳轂原型和減阻方案的阻力特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[14]采用求解N-S方程的方法對(duì)某共軸式直升機(jī)的阻力特性進(jìn)行了計(jì)算，包括無槳轂和帶槳轂、不同前飛速度等狀態(tài)。本文采用求解N-S方程的方法對(duì)某共軸式直升機(jī)槳轂的阻力特性進(jìn)行了計(jì)算，包括前飛速度、上下槳轂方位角和計(jì)算模型尺寸等狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了槳轂各部件的阻力特性和各計(jì)算狀態(tài)的槳轂阻力特性，研究了影響共軸式直升機(jī)槳轂阻力特性的因素和周圍的流動(dòng)機(jī)理。

1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

由于在計(jì)算共軸式槳轂阻力特性的過程中一般會(huì)保留槳葉根部(上下支臂)，因此某型共軸式直升機(jī)槳轂主要由上槳轂、上支臂、上中間軸、下槳轂、下支臂、下中間軸和底座組成，氣動(dòng)外形及各部件組成如圖1所示。首先對(duì)槳轂?zāi)Ｐ捅砻孢M(jìn)行修理，去掉了部分對(duì)阻力特性影響比較小的零部件。采用八叉樹(Octree)方法對(duì)空間網(wǎng)格進(jìn)行劃分，該方法首先生成體網(wǎng)格，然后進(jìn)行網(wǎng)格調(diào)整，再將網(wǎng)格映射到線和點(diǎn)上。在網(wǎng)格劃分過程中可以根據(jù)需要對(duì)表面局部細(xì)節(jié)進(jìn)行捕捉或忽略。在槳轂表面劃分附面層網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)流動(dòng)比較復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 槳轂各部件組成圖

2 計(jì)算方法概述

(1)

(2)

來流空氣設(shè)置為理想氣體，外場邊界條件設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場條件，前飛速度設(shè)置為80m/s，以模擬大速度前飛時(shí)的槳轂阻力特性。

圖2 槳轂網(wǎng)格劃分

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 各部件阻力特性

在上、下槳轂支臂成60°方位角交錯(cuò)時(shí)，各部件的迎風(fēng)面積如表1所示。從表中可以看出在不同的方位角時(shí)上、下支臂的迎風(fēng)面積有一定的差別，下中間軸的迎風(fēng)面積最大。

表1 各部件迎風(fēng)面積(0°攻角)

槳轂各部件阻力占槳轂阻力的百分比以及各部件迎風(fēng)面積占總迎風(fēng)面積的百分比如圖3所示。從圖中可以看出下中間軸的阻力占槳轂總阻力的1/4以上。上、下支臂和槳轂軸的阻力都占到總阻力的40%以上。對(duì)比分析阻力的百分比和迎風(fēng)面積的百分比可以看出，阻力和迎風(fēng)面積呈正相關(guān)性，迎風(fēng)面積越大，阻力也越大。但是上、下槳轂和上、下支臂的氣動(dòng)外形相同，而阻力系數(shù)卻有一定的差別，說明所處的氣流環(huán)境對(duì)氣動(dòng)阻力有一定的影響。

槳轂各部件的壓差阻力占各自阻力的百分比隨攻角的變化情況如圖4所示。從圖中可以看出在小攻角范圍內(nèi)，壓差阻力占各自阻力的百分比基本上不變。由于上、下支臂的外形比較復(fù)雜，因此兩者的壓差阻力占各自阻力的百分比比較大。

圖3 各部件阻力和迎風(fēng)面積相關(guān)性分析

圖4 壓差阻力占各自阻力的百分比

3.2 不同速度狀態(tài)時(shí)的阻力特性

為了對(duì)比研究不同飛行速度狀態(tài)下的共軸式直升機(jī)槳轂的阻力特性，分別計(jì)算了40m/s、60m/s、80m/s和100m/s時(shí)的阻力特性。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著飛行速度的不斷增大，槳轂的阻力有所增長。在0°攻角時(shí)，40m/s和60m/s前飛速度時(shí)阻力分別比80m/s時(shí)降低0.73%和1.33%，100m/s時(shí)阻力比80m/s時(shí)增大0.87%，說明前飛速度變化時(shí)，共軸式直升機(jī)槳轂阻力變化比較小。

圖5 不同飛行速度時(shí)的槳轂阻力

不同前飛速度時(shí)的流線分布圖如圖6所示。從圖中可以看出，在40m/s到100m/s速度范圍內(nèi)流過槳轂的氣流基本上保持穩(wěn)定，流動(dòng)狀態(tài)基本一致。

3.3 不同方位角時(shí)的阻力特性

上、下槳轂的支臂處于不同的方位時(shí)，氣流經(jīng)過槳轂時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)存在一定的區(qū)別。在計(jì)算過程中上槳轂支臂的位置保持不變，下槳轂分別旋轉(zhuǎn)30°和60°，得到了0°、30°和60°相互交錯(cuò)方位角時(shí)的槳轂阻力，如圖7所示。從圖中可以看出，30°方位角的槳轂阻力最大，上、下槳轂支臂方位角變化對(duì)槳轂阻力的影響比較小，在0°攻角時(shí)，30°方位角和60°方位角狀態(tài)的槳轂阻力分別比0°方位角狀態(tài)增大2.19%和1.20%。這是由于該槳轂有三個(gè)槳轂支臂，在方位角變化時(shí)總的迎風(fēng)面積基本上不變。不同方位角時(shí)的表面壓力分布圖如圖8所示。從圖中可以看出，由于上、下槳轂支臂的距離比較大，因此下槳轂方位角的變化對(duì)上槳轂表面壓力影響比較小。

圖7 不同方位角時(shí)的槳轂阻力

3.4 不同尺寸時(shí)阻力特性

計(jì)算模型尺寸變化對(duì)物體表面的流動(dòng)情況有一定的影響，分別對(duì)全尺寸、1：2縮比和1：5縮比槳轂計(jì)算模型的阻力特性進(jìn)行了計(jì)算，阻力計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出,隨著模型尺寸的不斷增大，阻力系數(shù)呈不斷減小的趨勢。這是由于物體的尺寸越大，物體表面的層流區(qū)域越大。不同尺寸時(shí)的壓差阻力占總阻力的百分比如圖10所示。從圖中可以看出,隨著槳轂計(jì)算模型尺寸的不斷增大，壓差阻力占總阻力的百分比不斷上升。這是由于槳轂計(jì)算模型尺寸增大，尾部的分離流動(dòng)區(qū)域增大引起的。

圖8 不同方位角時(shí)的槳轂表面壓力分布

圖9 不同尺寸時(shí)的槳轂阻力圖10 不同尺寸時(shí)壓差阻力占總阻力的百分比

4 總結(jié)與討論

對(duì)某型共軸式直升機(jī)槳轂的阻力特性進(jìn)行了計(jì)算，包括不同速度、方位角和計(jì)算模型尺寸狀態(tài)的阻力特性，通過對(duì)比分析阻力特性計(jì)算結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1)槳轂各部分的阻力值與迎風(fēng)面積大小基本上呈正相關(guān)，上下槳轂支臂的外形比較復(fù)雜，因此氣動(dòng)阻力相對(duì)比較大。

2)飛行速度、上下槳轂支臂方位角和槳轂計(jì)算模型尺寸的變化對(duì)槳轂阻力的影響比較小。

3)壓差阻力占槳轂氣動(dòng)阻力的百分比比較大，因此在槳轂減阻設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮降低槳轂尾部的氣動(dòng)分離。