1 問題描述

直升機的旋轉主轉子葉片產(chǎn)生復雜流場，對機身產(chǎn)生周期性氣動負載。這些氣動負載會使客艙受到噪聲和振動的影響。這些氣動交互作用影響直升機的性能，并可能導致結構損壞。STAR-CCM+ 提供模擬轉子葉片生成氣流的方法，并且不需要單獨對葉片進行網(wǎng)格化。利用此方法，可以預測直升機周圍的復雜流場，并將機身與轉子流場的交互作用考慮在內。

本案例使用 STAR-CCM+ 的虛擬風洞模擬普通直升機機身的飛行。機身使用 ROBIN（轉子機身交互作用）配置。下列表總結了此案例使用的工作條件：

? 旋轉速率： Ω = 2000 rpm

? 進程比： μ = 0.151

? 轉子推力系數(shù)： CT/σ= T/ρ∞Aν2Tipσ=0.0403

? 轉子軸角（俯仰角）： αS= ? 3°

? 總俯仰角：θ = 7.7°

? 橫向循環(huán)俯仰角： A1= ? 1.8°

? 縱向循環(huán)俯仰角： B1= 2.3°

其中σ = 0.098 是轉子實度，ρ∞ = 1.176kg/m3是自由流密度，T 是轉子推力， A =πR2 是轉子盤面積，R = 0.860552m 與 νTip = Ωπ/30 ?R 是旋轉產(chǎn)生的葉端速度。要為直升機飛行建模，應將 ROBIN 體置于虛擬風洞內。此案例應用虛擬盤模型的葉片單元法來模擬轉子對直升機機身的作用效果。葉片單元法的優(yōu)勢是，不需要使用精細網(wǎng)格詳細求解轉子葉片幾何。

2 STAR-CCM+設置

（1）場函數(shù)定義工作條件；多個變量定義應用于虛擬風洞內直升機的工作條件。將這些變量定義為場函數(shù)，便于為進一步分析更改工作條件。

在此案例中，工作條件通過以下參數(shù)定義：

? 進程比

進程比確定直升機的前進速度。此參數(shù)用于計算流入邊界的入口速度。

? 推力系數(shù)

推力系數(shù)用于計算轉子的目標推力。

? 旋轉速率

旋轉速率用于計算旋轉速度和轉子葉端速度。

? 俯仰角

可以在以后直接指定虛擬盤屬性的各種俯仰角。

（2）選擇物理模型；在案例計算的是穩(wěn)態(tài)可壓縮空氣流。對于直升機轉子的湍流模型選擇k-O模型中的sst。為了對轉子建模，需要同時選擇虛擬盤模型。

（3）使用虛擬盤模型進行轉子建模；此模擬使用葉片單元法對直升機轉子作用于機身的效果建模。此方法屬于虛擬盤模型。右鍵劍姬Continua > Physics 1 > Models >Virtual Disk > Virtual Disks節(jié)點，新建Virtual Disks，將方法設定為Blade Element Method，即葉片單元法建模。將準備好的葉片翼行界面和扭矩表格導入STAR-CCM+ 中。Virtual Disks的屬性設置如下表：

（4）對于氣動模擬，您通常要使用切割網(wǎng)格，這些網(wǎng)格在體附近經(jīng)過細化，且在體的近場、遠場和尾流處具有嵌入式細化。為了虛擬盤周圍流體場的分辨率較高，創(chuàng)建圓柱體積細化。使用零部件形狀和網(wǎng)格自定義控制創(chuàng)建細化。將虛擬盤網(wǎng)格加密。

（5）設置邊界條件，為了設定直升機前部邊界的入口速度，可以設置風洞進口為速度進口邊界條件。虛擬風洞不得對機身周圍的氣流產(chǎn)生地板或天花板效應。因此將地板和天花板邊界的剪切應力設定為滑移條件。

（6）設置求解器參數(shù)和停止條件，使用該耦合求解器的默認數(shù)字參數(shù)。1000 次迭代后，模擬停止。

（7）運行模擬，計算結果如下：

虛擬盤推力曲線

總俯仰角變化曲線

直升機周圍的速度分布

直升機周圍的渦及壓力分布

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