龍海斌，吳裕平

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機槳轂是連接旋翼和機身的重要部件，由于表面有比較多的拉桿、鉸結構等小部件，因此在前飛時會產(chǎn)生比較大的氣動阻力。常規(guī)單旋翼直升機槳轂阻力一般占全機廢阻的20%～30%，而共軸式直升機的槳轂阻力一般占全機廢阻的50%以上[1]。隨著高速直升機的快速發(fā)展[2]，氣動減阻在直升機研制中越來越受到重視，其中槳轂減阻是直升機減阻的重要部分[3],而槳轂阻力特性研究是進行氣動減阻的基礎。目前通常采用風洞或水洞試驗和數(shù)值計算兩種方法對直升機槳轂阻力特性進行研究。風洞試驗模型包括單獨的槳轂模型和帶槳轂機身模型兩種，在帶槳轂機身模型風洞試驗中采用去槳轂的方式(增量法)來獲得槳轂阻力特性。文獻[4]采用1:17縮比模型對某常規(guī)單旋翼槳轂進行了水洞試驗，研究了不同槳轂構型、雷諾數(shù)和方位角時的阻力特性。文獻[5]在風洞中對2/5縮比的AH-56四槳葉槳轂模型進行了阻力特性測試試驗，得到了不同構型、方位角時的阻力值。試驗結果表明,去掉槳轂頂部的陀螺儀可以降低50%的阻力。文獻[6]在水洞中對某四槳葉單旋翼槳轂進行了阻力特性測試，包括不同雷諾數(shù)和方位角時狀態(tài)，之后采用不同的求解器和湍流模式對該槳轂模型阻力特性進行了計算。文獻[7]在風洞中對四片槳葉單旋翼直升機機身和槳轂進行了阻力特性試驗，得到了不同的槳轂減阻方案的阻力值，對比分析了槳轂減阻設計對總阻力和極曲線的影響。文獻[8]在直流風洞中對不同的共軸雙槳轂組合模型進行了風洞試驗，研究了不同整流模型、各部件間縫隙和轉速對阻力特性的影響，結果表明各部件間縫隙和組合方式對阻力影響比較大。數(shù)值計算方法主要為CFD方法，該方法在氣動特性計算中應用比較廣泛[9]，可以快速計算得到槳轂以及各組成部件的阻力值，同時在網(wǎng)格劃分之前可以比較方便地修改槳轂各部件的外形，為槳轂減阻設計提供技術支持。文獻[10]采用CFD方法對某常規(guī)單旋翼直升機槳轂的阻力特性進行了計算，結構劃分為非結構化網(wǎng)格，包括不同方位角和旋轉狀態(tài)下的阻力特性。文獻[11]應用CFD方法對某四片槳葉常規(guī)單旋翼槳轂的原有方案和改進設計方案進行了阻力特性和流場計算。文獻[12]采用CFD方法對某常規(guī)旋翼槳轂在不同方位角時的阻力特性進行了計算，并與水洞試驗值進行了對比分析。槳轂附近為嵌套網(wǎng)格，遠場為結構網(wǎng)格。湍流模式分別為SA-DDES和HRLES模式。文獻[13]首先對某共軸式直升機槳轂進行了減阻設計，之后采用求解N-S方程的方法對槳轂原型和減阻方案的阻力特性進行了研究。文獻[14]采用求解N-S方程的方法對某共軸式直升機的阻力特性進行了計算，包括無槳轂和帶槳轂、不同前飛速度等狀態(tài)。本文采用求解N-S方程的方法對某共軸式直升機槳轂的阻力特性進行了計算，包括前飛速度、上下槳轂方位角和計算模型尺寸等狀態(tài)。根據(jù)計算結果分析了槳轂各部件的阻力特性和各計算狀態(tài)的槳轂阻力特性，研究了影響共軸式直升機槳轂阻力特性的因素和周圍的流動機理。

1 計算模型與網(wǎng)格劃分

由于在計算共軸式槳轂阻力特性的過程中一般會保留槳葉根部(上下支臂)，因此某型共軸式直升機槳轂主要由上槳轂、上支臂、上中間軸、下槳轂、下支臂、下中間軸和底座組成，氣動外形及各部件組成如圖1所示。首先對槳轂模型表面進行修理，去掉了部分對阻力特性影響比較小的零部件。采用八叉樹(Octree)方法對空間網(wǎng)格進行劃分，該方法首先生成體網(wǎng)格，然后進行網(wǎng)格調(diào)整，再將網(wǎng)格映射到線和點上。在網(wǎng)格劃分過程中可以根據(jù)需要對表面局部細節(jié)進行捕捉或忽略。在槳轂表面劃分附面層網(wǎng)格，同時對流動比較復雜的區(qū)域進行加密處理，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 槳轂各部件組成圖

2 計算方法概述

(1)

(2)

來流空氣設置為理想氣體，外場邊界條件設置為壓力遠場條件，前飛速度設置為80m/s，以模擬大速度前飛時的槳轂阻力特性。

圖2 槳轂網(wǎng)格劃分

3 計算結果分析

3.1 各部件阻力特性

在上、下槳轂支臂成60°方位角交錯時，各部件的迎風面積如表1所示。從表中可以看出在不同的方位角時上、下支臂的迎風面積有一定的差別，下中間軸的迎風面積最大。

表1 各部件迎風面積(0°攻角)

槳轂各部件阻力占槳轂阻力的百分比以及各部件迎風面積占總迎風面積的百分比如圖3所示。從圖中可以看出下中間軸的阻力占槳轂總阻力的1/4以上。上、下支臂和槳轂軸的阻力都占到總阻力的40%以上。對比分析阻力的百分比和迎風面積的百分比可以看出，阻力和迎風面積呈正相關性，迎風面積越大，阻力也越大。但是上、下槳轂和上、下支臂的氣動外形相同，而阻力系數(shù)卻有一定的差別，說明所處的氣流環(huán)境對氣動阻力有一定的影響。

槳轂各部件的壓差阻力占各自阻力的百分比隨攻角的變化情況如圖4所示。從圖中可以看出在小攻角范圍內(nèi)，壓差阻力占各自阻力的百分比基本上不變。由于上、下支臂的外形比較復雜，因此兩者的壓差阻力占各自阻力的百分比比較大。

圖3 各部件阻力和迎風面積相關性分析

圖4 壓差阻力占各自阻力的百分比

3.2 不同速度狀態(tài)時的阻力特性

為了對比研究不同飛行速度狀態(tài)下的共軸式直升機槳轂的阻力特性，分別計算了40m/s、60m/s、80m/s和100m/s時的阻力特性。計算結果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著飛行速度的不斷增大，槳轂的阻力有所增長。在0°攻角時，40m/s和60m/s前飛速度時阻力分別比80m/s時降低0.73%和1.33%，100m/s時阻力比80m/s時增大0.87%，說明前飛速度變化時，共軸式直升機槳轂阻力變化比較小。

圖5 不同飛行速度時的槳轂阻力

不同前飛速度時的流線分布圖如圖6所示。從圖中可以看出，在40m/s到100m/s速度范圍內(nèi)流過槳轂的氣流基本上保持穩(wěn)定，流動狀態(tài)基本一致。

3.3 不同方位角時的阻力特性

上、下槳轂的支臂處于不同的方位時，氣流經(jīng)過槳轂時的流動狀態(tài)存在一定的區(qū)別。在計算過程中上槳轂支臂的位置保持不變，下槳轂分別旋轉30°和60°，得到了0°、30°和60°相互交錯方位角時的槳轂阻力，如圖7所示。從圖中可以看出，30°方位角的槳轂阻力最大，上、下槳轂支臂方位角變化對槳轂阻力的影響比較小，在0°攻角時，30°方位角和60°方位角狀態(tài)的槳轂阻力分別比0°方位角狀態(tài)增大2.19%和1.20%。這是由于該槳轂有三個槳轂支臂，在方位角變化時總的迎風面積基本上不變。不同方位角時的表面壓力分布圖如圖8所示。從圖中可以看出，由于上、下槳轂支臂的距離比較大，因此下槳轂方位角的變化對上槳轂表面壓力影響比較小。

圖7 不同方位角時的槳轂阻力

3.4 不同尺寸時阻力特性

計算模型尺寸變化對物體表面的流動情況有一定的影響，分別對全尺寸、1：2縮比和1：5縮比槳轂計算模型的阻力特性進行了計算，阻力計算結果如圖9所示。從圖中可以看出,隨著模型尺寸的不斷增大，阻力系數(shù)呈不斷減小的趨勢。這是由于物體的尺寸越大，物體表面的層流區(qū)域越大。不同尺寸時的壓差阻力占總阻力的百分比如圖10所示。從圖中可以看出,隨著槳轂計算模型尺寸的不斷增大，壓差阻力占總阻力的百分比不斷上升。這是由于槳轂計算模型尺寸增大，尾部的分離流動區(qū)域增大引起的。

圖8 不同方位角時的槳轂表面壓力分布

圖9 不同尺寸時的槳轂阻力圖10 不同尺寸時壓差阻力占總阻力的百分比

4 總結與討論

對某型共軸式直升機槳轂的阻力特性進行了計算，包括不同速度、方位角和計算模型尺寸狀態(tài)的阻力特性，通過對比分析阻力特性計算結果，得出如下結論：

1)槳轂各部分的阻力值與迎風面積大小基本上呈正相關，上下槳轂支臂的外形比較復雜，因此氣動阻力相對比較大。

2)飛行速度、上下槳轂支臂方位角和槳轂計算模型尺寸的變化對槳轂阻力的影響比較小。

3)壓差阻力占槳轂氣動阻力的百分比比較大，因此在槳轂減阻設計時需要重點考慮降低槳轂尾部的氣動分離。