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尾涡法

/vortex wake method/
条目作者陈海昕

陈海昕

最后更新 2024-07-03
浏览 123
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通过模拟旋翼桨叶后的尾涡来预测尾涡对旋转桨叶气动特性的影响的方法。又称尾迹法。

英文名称
vortex wake method
又称
尾迹法
所属学科
力学

尾涡法经常与升力线、升力面等计算桨叶气动特性的理论结合起来预测旋转桨叶的气动特性。相比于动量叶素理论,尾涡法直接考虑了尾涡对桨叶的影响,因此气动力计算准度更高;相比于数值求解纳维-斯托克斯/欧拉方程,尾涡法计算效率更高,消耗成本低。最常用的尾涡法包括自由尾涡法和预定尾涡法。自由尾涡法允许涡线随当地气流速度自由移动且考虑了尾迹的自诱导速度,能够准确地给出叶片载荷的详细分布,自20世纪80年代以来该方法在旋翼尾迹研究中得到应用。预定尾涡法采用描述函数确定桨叶的尾迹几何形状,不需要计算尾涡对自身的诱导速度场,因此计算工作量大大降低。

经典尾涡法一般将旋翼尾迹分成近尾迹和远尾迹。近尾迹一般由叶片尾缘脱出的尾随涡和脱体涡构成。尾随涡从桨叶后缘拖出,模拟在某一方位角桨叶上的附着环量随展向位置的变化;脱体涡模拟桨叶附着环量随方位角的变化。远尾迹与近尾迹相连接,模拟卷起的桨尖涡和桨根涡。桨根涡从桨叶内侧后缘拖出,桨尖涡由桨叶后缘拖出的尾随涡在转过一定方位角后聚集而成。经典尾涡法的桨尖涡的起始位置变化过大,严重影响流场中诱导速度的计算。因此,A.白格等人将桨尖涡处理为直接从桨叶后缘拖出。远尾迹模型包括半无限长远尾迹模型和有限长度的远尾迹模型。半无限长远尾迹模型使用近似公式模拟半无限长远尾迹的影响;有限长度的远尾迹模型忽略了半无限长远尾迹的影响,在近尾迹之后直接连续地对远尾迹进行数值计算。

尾涡法控制方程的求解可分为空间迭代法和时间步进法。空间迭代法通常将周期性边界条件强制加入控制方程进行迭代计算,在保证数值计算稳定性的前提下迭代收敛得到尾迹形状;时间步进法以时间步进的方式计算不同时刻的尾迹结构,可以对桨叶的非定常尾迹形状进行预测。

  • BAGAI A, LEISHMAN J G.Rotor free‐wake modeling using a pseudo‐implicit technique——including comparisons with experimental data.Journal of the American Helicopter Society,1995,40(3):29-41.

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