來自賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室和航空航天工程系的 Norman F. Foster、Jim G. Coder 和 Warren J. Baker 使用了 Cadence Fidelity Pointwise 嵌套網格對直升機旋翼槳轂渦旋釋放進行了仿真。

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簡介

盡管直升機空氣動力學涉及的力與飛機空氣動力學中的力是同一種，但由于直升機飛行過程涉及到流體流動動力學，它的力產生方式有所不同。直升機利用沿旋翼葉片的自由氣流產生升力和推力。在旋翼系統中，旋翼槳轂緊扣葉片并將其連接到系統的主軸上。直升機依靠旋翼來飛行、橫向移動、360 度轉彎和改變飛行高度。

直升機駕駛員通過斜盤組件對旋翼葉片角度進行必要的調整，斜盤組件由上下兩部分組成。上斜盤通過連桿與旋翼軸連接，而下斜盤則固定不動，兩塊斜盤之間用滾珠軸承隔開，所以上斜盤可以在下斜盤上方自由旋轉。

在飛行器總寄生阻力中，旋翼槳轂周圍的氣流占了很大一部分，約為 20-30%，在直升機設計階段需要對這類氣流進行阻力預測分析。旋翼槳轂尾流會影響尾翼，甚至會損害直升機的結構穩定性。

一直以來，旋翼槳轂尾流分析是在風洞中進行的；現在，利用 Cadence Fidelity CFD 等 CFD 解決方案，可以使用嵌套網格或滑移網格進行流場計算，從而精確捕捉渦旋釋放。

圖 1.旋翼槳轂風洞試驗（左側），旋翼槳轂 CAD 模型（右側）。

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旋翼槳轂渦旋釋放的挑戰

直升機尾流不穩定時會形成渦旋。旋翼槳轂尾流中的渦旋釋放模式在很大程度上取決于雷諾數和直升機機體的運動。

圖 2. 旋翼槳轂的 Q 準則等值面。

在直升機飛行器結構動力學中，從旋翼槳轂流出的復雜氣流是一個重要問題。對于前進飛行中的直升機來說，巨大的氣流會吹向尾翼并與之發生相互作用。而這種相互作用令人擔憂，因為飛行器結構通常會對尾流施加的外力做出反應。這些大型氣流具有很強的垂直性，因此有必要控制和減輕它與結構之間的相互作用。使用帶有嵌套結構網格的 CFD 解決方案來準確預測渦旋釋放行為，對直升機設計有很大的幫助。

從概念上講，嵌套網格生成分為離體網格（或背景網格）以及求解幾何體和粘性效應的近體網格。通常會使用結構化六面體組件網格，因為它具有高效、精確的優點。

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Fidelity CFD 嵌套網格劃分技術的優勢

Cadence Fidelity Pointwise 利用行業領先的網格生成技術，可生成結構化、非結構化、嵌套和混合網格，以滿足各種應用需求。Pointwise 提供簡單易用的 API 接口，可靈活集成到外部 CFD 工作流程中。

圖 3. 在 Fidelity Pointwise 中創建的旋翼槳轂嵌套網格。

使用 Pointwise 中的嵌套網格組件工具，可以創建高質量的結構化網格，用于準確分析渦旋釋放形式的旋翼槳轂湍流。雖然非結構化網格通常比結構化網格更容易生成，但不可避免地會降低邊界層等關鍵區域的求解精度，而且所需的單元數量通常比結構化網格多得多。

嵌套網格劃分和嵌套網格組件 (OGA) 工具協同工作，可根據嵌套范例選擇匹配的網格劃分工具，從而生成最佳仿真模型。網格組件的反饋可為網格改進提供參考。近體、離體和嵌套網格修復均可實現自動化，以最大限度地提高用戶效率。圖 3 中，在流固耦合區域對旋翼槳轂網格進行細化，對于準確預測阻力至關重要。

總結

對旋翼槳轂渦旋釋放進行仿真，以準確預測影響直升機飛行器結構動力學的寄生阻力，這對于直升機的設計至關重要。

Fidelity Pointwise 利用嵌套網格劃分和 OGA 工具，能夠以必要的精細度捕捉流體-結構相互作用和湍流區域。Pointwise 提供自動網格劃分功能，無需用戶過多干預，可最大程度提高網格劃分效率。