针对直升机配平问题,基于CFD/CSD松耦合策略建立了计入旋翼气弹效应的配平分析方法。旋翼桨叶CSD求解器与旋翼CFD求解器以桨叶弹性轴和变距轴线为媒介,通过线性插值方法交换气动载荷和响应数据。CFD模块和CSD模块在时域内推进,旋翼每旋转一圈交互一次数据,以CFD模块计算的气动力来修正配平计算中气弹分析的气动力输入,直到配平量和CFD气动力在迭代过程中不再变化,即得到耦合配平解。以SA349/2"小羚羊"直升机小速度前飞状态为算例,计算表明所提方法收敛迅速、稳定性良好,计算结果与飞行实测值的对比分析验证了方法的有效性,对桨叶气动力曲线及桨涡干扰等现象具有很好的捕捉能力。

单旋翼带尾桨直升机的抗侧风能力通常受限于尾桨距上限,本文通过分析机身的横向气动特性,主要包含横向偏航力矩系数和横向阻力系数对直升机抗侧风能力的影响;得出横向偏航力矩系数对直升机的抗侧风能力有显著影响,并给出降低横向偏航力矩的部分措施以提高直升机的抗侧风能力。

光机身对直升机气动特性影响比较大,准确地获得光机身的气动特性数据对直升机的内部系统布置与减阻设计具有重要作用。首先对三种不同类型的直升机光机身的气动特性进行CFD计算,之后分别采用增量法和比例法分析了计算结果与风洞试验结果之间的相关性。结果表明,光机身气动特性的CFD计算值与风洞试验结果的变化趋势一致。当攻角或侧滑角变化时,两者的差值变化比较大;但是在大部分攻角或侧滑角范围内,两者的比值在某个固定值附近。研究结果可为直升机光机身气动特性计算方法选取和计算结果修正提供一定的参考。

直升机上的气动耦合加重了飞行员的操纵负荷,在部分直升机上采用倾斜尾桨则带来了更为严重的气动耦合。解决的有效途径之一是在操纵系统或者飞控系统增加操纵联动。文章通过对样例直升机进行配平分析,得到操纵联动关系,综合考虑操纵范围限制和飞控系统设计特点,完成气动解耦设计,为工程设计提供技术基础。

为克服旋翼产生的反扭矩,目前直升机上主要采用单旋翼带尾桨、双旋翼等布局方案,同时发展了尾梁环量控制及尾梁边条技术。本文应用旋翼/机身组合模型风洞试验方法,探究了尾梁边条对直升机悬停及前飞性能的影响。重点研究了悬停及不同前飞速度下,不同长度和不同安装角度尾梁边条对直升机气动性能的影响。试验结果表明,悬停状态尾梁边条可通过提供侧向力来增加机身扭矩,能够帮助尾桨卸载从而减少尾桨功率消耗。而前飞状态尾梁边条对直升机气动性能基本没有影响。

为了研究凹坑单元不同排列方式对直升机气动阻力的影响，分别在直升机尾舱门处布置矩形排列、菱形排列和等差排列的凹坑单元。采用基于剪切应力输运模型（k-ωSST）的计算流体力学方法，对比分析了不同排列方式的减阻效果、后体局部流场和表面压力分布情况。计算结果表明，以菱形排列的凹坑形非光滑表面可以获得最好的气动减阻效果，机身总减阻率可以达到10.9%。进一步分析发现，由于在相同大小曲面内，菱形排列能够布置最多的半球形凹坑单元，而半球形凹坑单元可以延缓机身后体流动分离，抵消对阻力直接做出贡献的低压区面积，从而减小机身的气动阻力。

针对AC311A轻型民用直升机,开展了适航审定状态的气动噪声数值模拟研究。其中,采用高效的运动嵌套网格技术模拟旋翼各片桨叶之间以及旋翼/机身/尾桨之间复杂的相对运动关系,并基于CFD/FW-H方程建立了一个适合于直升机全机气动噪声的计算模型。然后,针对AC311A轻型民用直升机适航审定状态下孤立旋翼和旋翼/机身/尾桨全机系统,计算得到了其流场、气动和噪声特性,分析了该状态下气动干扰对噪声的影响规律。在此基础上,获得了一些有益的结论。

采用Navier-Stokes控制方程和k-omega湍流模型的数值研究方法,对直升机旋翼与机身的气动干扰流场进行分析。考虑到直升机旋翼/机身流场的研究重点,用作用盘代替旋翼,使用动量源法对流场进行数值模拟,得到关于旋翼/机身干扰流场有实用意义的结论。

使用数值模拟方法研究了前缘缝翼翼型气动特性,并将该前缘缝翼翼型应用于直升机平尾,分析了该直升机全机气动特性,最后通过风洞试验对数值模拟结果进行验证。结果表明,前缘缝翼构型平尾能有效改善直升机的纵向静稳定性。

在声学风洞配套直升机旋翼气动噪声试验台是开展直升机噪声机理和降噪措施研究的重要基础。动力系统作为试验台的关键子系统,主要由120 kW永磁交流伺服电机及相应的冷却装置、变频驱动装置、监控系统等组成。其中高功率密度电机设计、驱动选型及转速精确控制、安全监控设计等是动力系统研制中的若干关键技术。上述技术的解决,使系统具备了调速范围宽、转速精度高、运行安全可靠等特性,达到了研制目的。