STAR-CCM+实战案例：直升机转子与机身相互作用分析

1 问题描述

直升机的旋转主转子叶片产生复杂流场，对机身产生周期性气动负载。这些气动负载会使客舱受到噪声和振动的影响。这些气动交互作用影响直升机的性能，并可能导致结构损坏。STAR-CCM+ 提供模拟转子叶片生成气流的方法，并且不需要单独对叶片进行网格化。利用此方法，可以预测直升机周围的复杂流场，并将机身与转子流场的交互作用考虑在内。

本案例使用 STAR-CCM+ 的虚拟风洞模拟普通直升机机身的飞行。机身使用 ROBIN（转子机身交互作用）配置。下列表总结了此案例使用的工作条件：

• 旋转速率： Ω = 2000 rpm

• 进程比： μ = 0.151

• 转子推力系数： CT/σ= T/ρ∞Aν2Tipσ=0.0403

• 转子轴角（俯仰角）： αS= − 3°

• 总俯仰角：θ = 7.7°

• 横向循环俯仰角： A1= − 1.8°

• 纵向循环俯仰角： B1= 2.3°

其中σ = 0.098 是转子实度，ρ∞ = 1.176kg/m3是自由流密度，T 是转子推力， A =πR2 是转子盘面积，R = 0.860552m 与 νTip = Ωπ/30 ⋅R 是旋转产生的叶端速度。要为直升机飞行建模，应将 ROBIN 体置于虚拟风洞内。此案例应用虚拟盘模型的叶片单元法来模拟转子对直升机机身的作用效果。叶片单元法的优势是，不需要使用精细网格详细求解转子叶片几何。

2 STAR-CCM+设置

1）场函数定义工作条件；多个变量定义应用于虚拟风洞内直升机的工作条件。将这些变量定义为场函数，便于为进一步分析更改工作条件。

在此案例中，工作条件通过以下参数定义：

• 进程比

进程比确定直升机的前进速度。此参数用于计算流入边界的入口速度。

• 推力系数

推力系数用于计算转子的目标推力。

• 旋转速率

旋转速率用于计算旋转速度和转子叶端速度。

• 俯仰角

可以在以后直接指定虚拟盘属性的各种俯仰角。

2）选择物理模型；在案例计算的是稳态可压缩空气流。对于直升机转子的湍流模型选择k-O模型中的sst。为了对转子建模，需要同时选择虚拟盘模型。

3）使用虚拟盘模型进行转子建模；此模拟使用叶片单元法对直升机转子作用于机身的效果建模。此方法属于虚拟盘模型。右键剑姬Continua > Physics 1 > Models >Virtual Disk > Virtual Disks节点，新建Virtual Disks，将方法设定为Blade Element Method，即叶片单元法建模。将准备好的叶片翼行界面和扭矩表格导入STAR-CCM+ 中。Virtual Disks的属性设置如下表：

4）对于气动模拟，您通常要使用切割网格，这些网格在体附近经过细化，且在体的近场、远场和尾流处具有嵌入式细化。为了虚拟盘周围流体场的分辨率较高，创建圆柱体积细化。使用零部件形状和网格自定义控制创建细化。将虚拟盘网格加密。

5）设置边界条件，为了设定直升机前部边界的入口速度，可以设置风洞进口为速度进口边界条件。虚拟风洞不得对机身周围的气流产生地板或天花板效应。因此将地板和天花板边界的剪切应力设定为滑移条件。

6）设置求解器参数和停止条件，使用该耦合求解器的默认数字参数。1000 次迭代后，模拟停止。

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