Blad-virvel-interaktion

Helikopter bladspets virvelsimulering av DLR
Tipp virvelrullning

En bladvirvelinteraktion ( BVI ) är ett instabilt fenomen av tredimensionell natur, som uppstår när ett rotorblad passerar i omedelbar närhet av skurspetsvirvlarna från ett tidigare blad. De aerodynamiska interaktionerna representerar ett viktigt undersökningsämne inom forskningsfältet för rotorfarkoster på grund av den negativa påverkan som produceras på rotorbuller , särskilt i låghastighetsnedgående flygtillstånd eller manöver, vilket genererar impulsljud med hög amplitud .

Klasser av bladvirvelinteraktioner

Litteraturen särskiljer olika klasser av BVI i helikopterrotorer beroende på den påverkande virvelaxeln med avseende på bladens spännvidd. Generellt kan den delas in i fyra olika typer, som kommer att beskrivas enligt följande:

Parallell BVI

Parallell BVI uppstår när virveln och bladaxlarna är nominellt parallella. Det är BVI-fenomenet som producerar störst amplitudimpuls (harmoniskt) brus , på grund av att den ostadiga virveln rör sig mot nedströms.

Vinkelrät BVI

Vinkelrät BVI uppstår när axlarna är vinkelräta och i parallella plan. På grund av dess låga ostadighet är bruseffekten av vinkelräta BVI mindre signifikant med avseende på parallell BVI. Den producerar ett kontinuerligt bredbandsbrus som kännetecknas av en mycket lägre intensitet jämfört med impulsbruset (harmoniskt) som orsakas av parallell BVI.

Sned BVI

Sned BVI uppstår mellan virveln och bladet när axlarna är sneda. Inom helikopterforskningsområdet är sned BVI ett vanligt fenomen som ser ut som en mellanverkan av parallell BVI och vinkelrät BVI.

Ortogonal BVI

Ortogonal BVI uppstår när virvelns axlar är i ortogonala plan. I samband med helikopterapplikation utgår den ortogonala interaktionen vanligtvis mellan spetsvirvlarna som genereras av huvudrotorn och bladet på svansrotorn .

Medel för BVIs förutsägelse

Som en dominerande källa till buller kan BVI-fenomen vara skadligt för bladstrukturens integritet också på grund av de ostadiga fluktuationerna av aerodynamiken, såsom vortexbuffring och dynamiskt stall i det retirerande bladet. Därför blir BVI ett av de främsta angelägenheterna inom helikopterforskningsområdet. För att förstå BVI-flödeskarakteristiken närmare och dämpa buller och vibrationer aktivt är det viktigt att förutsäga BVI exakt. Nyligen kan verktygen för att fånga BVI:er delas in i tre delar, som kommer att beskrivas enligt följande:

Vindtunneltest

Framtida SMART rotorblad

När det gäller aerodynamiska problem är vindtunneltest ett grundläggande verktyg som används i forskning. 1994 bildade forskare från tyska DLR , franska ONERA , NASA Langley och US Army Aeroflightdynamics Directorate (AFDD) ett internationellt konsortium för att genomföra ett omfattande experimentellt program som kallas HART I (Higher Harmonic Control Aeroacoustic Rotor Test I)-projekt vid den stora låghastighetsanläggningen DNW (tysk-nederländsk vindtunnel). I detta test används en 40 % skalad BO-105-rotormodell tillsammans med en flygkropp, en rad sofistikerade mättekniker introduceras för att mäta ljudnivån, bladyttrycket , spetsvirvlar , bladrörelser och strukturella moment med och utan tillämpningen av HHC (Higher Harmonic Control) tonhöjdskontrollingångar. År 2001 genomfördes ett uppdateringsprogram med namnet HART II för att förbättra den grundläggande förståelsen och de analytiska modelleringsmöjligheterna för rotor BVI-brus med och utan högre harmonic pitch control (HHC) ingångar, särskilt effekten av rotorvaken på rotorljud och vibrationer .

analytiska metoder

Den exakta simuleringen av virvelstrukturen i kölvattnet är en avgörande del av BVI-forskning. För närvarande är de analytiska metoderna för infångning av BVI-fenomen huvudsakligen baserade på den fria vakna modellen, som har hög effektivitet men allvarligt beroende av empiriska parametrar och inte kan inkludera luftviskositetseffekt, dessutom är aerodynamiken som beräknas i frivaken modellen baserad på lyft- linjeteori med nackdelen i luftbelastningsfångning och flödesfältsbeskrivning, särskilt för egenskaperna hos transoniskt flöde.

Beräkningsmetoder för vätskedynamik

Under de senaste femtio åren har Computational Fluid Dynamics (CFD) -metoder upplevt en stor utveckling sedan CFD- metoden först tillämpades på helikopterforskningen på 1970-talet. Utvecklingen av rotor CFD har genomgått tre steg.

Fullpotentialekvationerna är baserade på potentialflödesteorin , men resultatet som beräknas med denna metod är vanligtvis större än det verkliga eftersom det ignorerade effekten av vaken . För närvarande kan det också användas för att förutsäga BVI på grund av de utmärkta fördelarna med beräkningseffektivitet. Med utvecklingen av datorteknik började Euler / Navier-Stokes ekvationer att användas för rotor aerodynamisk forskning. Jämfört med fullpotentialekvationen kan Euler / Navier-Stokes-ekvationer inte bara exakt fånga det olinjära flödesfenomenet i rotorflödesfältet, utan kan också fånga rörelsen hos bladspetsvirveln i beräkningsdomänen. För närvarande Euler / Navier-Stokes ekvationer blivit den dominerande metoden inom området för rotor CFD för helikopter . Men på grund av det komplicerade rotorflödesfältet, finns det fortfarande många problem som måste lösas, såsom bladrörelse, elastisk deformation , maskdensitet och rotorns vakning.

Hybridmetoder

För närvarande har forskare utvecklat någon form av hybridteknik för att ta itu med ovanstående problem. Till exempel genomfördes DES-metoden ( high fidelity detached eddy simulation ) för att exakt förutsäga luftbelastningar nära bladet; den anpassade Chimera-gridmetoden användes för att exakt fånga upp virvelavfallet av blad; CFD /CSD (Computational Structure Dynamics) utfördes brett för att mer effektivt ta hänsyn till förändringen av flödesfältet som orsakas av den elastiska deformationen av bladen . Samtidigt har vissa forskare börjat introducera högupplöst diskret virvelmodell (DVM) i CFD /CSD-metoden. CFD /CSD/DVM-metoden kan inte bara förbättra noggrannheten i beräkningen av BVI, utan också effektivt eliminera bristerna med CFD- metoder på numeriska, dessutom kan den avsevärt minska beräkningskällorna. Det är en viktig riktning som är värd att utvecklas vidare i BVI-förutsägelse.

Se även

  1. ^ Donald, Rockwell (januari 1998). "Vortex-kroppsinteraktion". Årlig översyn av vätskemekanik . 30 : 199-299. Bibcode : 1998AnRFM..30..199R . doi : 10.1146/annurev.fluid.30.1.199 .
  2. ^ AT, Conlisk (30 augusti 2001). "Modern helikopterrotoraerodynamik". Framsteg inom flygvetenskap . 37 (5): 419–476. Bibcode : 2001PrAeS..37..419C . doi : 10.1016/S0376-0421(01)00011-2 .
  3. ^ Ruth.M, Martin; Wolf.R, Splettstoesser (1987). "Akustiska resultat av det akustiska testet av interaktion mellan blad och virvel av en 40-procentig modellrotor i DNW". AHS-specialistmöte om aerodynamik och akustik .
  4. ^ Wolf.R, Splettstoesser; K, J, Schultz; Ruth.M, Martin (1987). "Identifiering och korrelation med rotorblad-virvelinteraktion med impulsiv bruskälla". 11:e Aeroakustikkonferensen, Aeroakustikkonferenser . doi : 10.2514/6.1987-2744 .
  5. ^ D. Stuart, påve; Stewart AL, Glegg; William J, Devenport; Kenneth S, Wittmer (1 oktober 1999). "Bredbandshelikopterbrus genererat av Blade Wake-interaktioner". Journal of the American Helicopter Society . 44 (4): 293–301. doi : 10.4050/JAHS.44.293 .
  6. ^ Yung H, Yu (februari 2000). "Rotorblad-virvelinteraktionsljud". Framsteg inom flygvetenskap . 36 (2): 97–115. Bibcode : 2000PrAeS..36...97Y . doi : 10.1016/S0376-0421(99)00012-3 .
  7. ^ YH, Yu; B, Gmelin; H, Heller; JJ, Philippe; E, Mercer; JS, Preisser (1994). "HHC aeroakustiska rotortest vid DNW - det gemensamma tyska/franska/amerikanska HART-projektet". Proceedings of the 20th European Rotorcraft Forum .
  8. ^ Yung H, Yu; Chee, Tung; Berend van der, Wall; Heinz Jürgen, Pausder; Casey, Burley; Thomas, Brooks; Philippe, Beaumier; Yves, Delrieux; Edzard, Mercer; Kurt, Pengel (11–13 juni 2002). "HART-II-testet: Rotorvågor och aeroakustik med ingångar för högre harmonisk tonhöjdskontroll (HHC) - Det gemensamma tyska/franska/holländska/amerikanska projektet -". The American Helicopter Society 58th Annual Forum .
  9. ^ QJ, Zhao; GH, Xu (2006). "En hybridmetod baserad på Navier-stokes/Free Wake/Full-Potential Solver för rotorflödessimuleringar". Acta Aerodynamica Sinica (på kinesiska). 24 (1): 15–21.
  10. ^ A, Bagai; JG, Leishaman (1995). "Rotor free-wake-modellering med en pseudoimplicit avslappningsalgoritm". Journal of Aircraft . 32 (6): 1276–1285. doi : 10.2514/3.46875 .
  11. ^ RC, Strawn; FX, Caradonna (1987). "Konservativ modell med full potential för rotorflöden". AIAA Journal . 25 (2): 193–198. Bibcode : 1987AIAAJ..25..193S . doi : 10.2514/3.9608 .
  12. ^   B, Jayaraman; AM, Wissink; JW, Lim (januari 2012). "Helios Prediction of Blade Vortex Interaction and Wake of the HART II Rotor". 50:e AIAA Aerospace Meeting . doi : 10.2514/6.2012-714 . ISBN 978-1-60086-936-5 .
  13. ^   AM, Wissink; B, Jayaraman; A, Datta (januari 2012). "Förmågasförbättringar i version 3 av Helios High-Fidelity Rotorcraft-simuleringskod". 50:e AIAA Aerospace Meeting . doi : 10.2514/6.2012-713 . ISBN 978-1-60086-936-5 .
  14. ^   M, Dietz; E, Kramer; S, Wang (juni 2006). "Spetsvirvelkonservering på en huvudrotor i långsam nedstigning med virvelanpassade chimära rutnät". 24:e AIAA Applied Aerodynamics Conference . doi : 10.2514/6.2006-3478 . ISBN 978-1-62410-028-4 .
  15. ^ HK, Lee; JS, Kwak; SJ, Shin (maj 2009). "Aerodynamisk/struktur/akustisk förutsägelse av HART II-rotor med svagt kopplad CFD-CSD-analys". 65:e American Helicopter Society årliga forum .
  16. ^ RE, brunt; AJ, Line (2005). "Effektiv högupplöst wake-modellering med hjälp av vorticitetstransportekvationen". AIAA Journal . 43 (7): 1434–1443. Bibcode : 2005AIAAJ..43.1434B . doi : 10.2514/1.13679 .
  17. ^ CJ, He; JG, Zhao (2009). "Modellera rotorvakningsdynamik med viskös virvelpartikelmetod". AIAA Journal . 47 (4): 902–915. Bibcode : 2009AIAAJ..47..902H . doi : 10.2514/1.36466 .
  18. ^ Yongjie, Shi; Yi, Xu; Guohua, Xu; Peng, Wei (februari 2017). "En kopplings-VWM/CFD/CSD-metod för förutsägelse av rotorluftbelastning" . Chinese Journal of Aeronautics . 30 (1): 204–215. doi : 10.1016/j.cja.2016.12.014 .

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Blade-vortex_interaction&oldid=1058850308 "