cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2019-22-3-25-34caht-1516Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION, ROCKET AND SPACE TECHNOLOGYОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБТЕКАНИЯ НЕСУЩЕГО ВИНТА ВЕРТОЛЕТА С УЧЕТОМ ПРОИЗВОЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ЛОПАСТЕЙFEATURES OF MODELING THE FLOW AROUND THE HELICOPTER MAIN ROTOR TAKING INTO ACCOUNT ARBITRARY BLADES MOTIONВершковВ. А.VershkovV. A.

Вершков Владислав Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательского отделения № 5 ЦАГИ, аспирант МФТИ

vershkov.va@gmail.comКрицкийБ. С.KritskyB. S.

Крицкий Борис Сергеевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник научно-исследовательского отделения № 5 ЦАГИ, профессор кафедры физики полета МФТИ

boris.kritsky@tsagi.ruМиргазовР. М.MirgazovR. M.

Миргазов Руслан Миннхатович, кандидат технических наук, заместитель начальника научно-исследовательского отделения № 5 ЦАГИ

ruslan.mirgazov@tsagi.ruЦентральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic InstituteRussian FederationЦентральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского; Московский физико-технический институт (государственный университет)РоссияCentral Aerohydrodynamic Institute; The Moscow Institute of Physics and Technology (State University)Russian Federation2019280620192232534Copyright © Вершков В.А., Крицкий Б.С., Миргазов Р.М., 20192019Вершков В.А., Крицкий Б.С., Миргазов Р.М.Vershkov V.A., Kritsky B.S., Mirgazov R.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1516

Рассматривается задача обтекания несущего винта (НВ) вертолета с учетом махового движения лопастей в плоскости вращения и в плоскости тяги, а также упругой деформации лопастей. Вращение винта моделируется методом преобразования решаемых уравнений из неподвижной системы координат, связанной с набегающим потоком, во вращающуюся систему, связанную с втулкой винта. Для задач осевого обтекания это делает возможным формулировать задачу как стационарную при постоянной скорости вращения винта. Для режима косого обтекания винта в условиях набегающего потока в этой системе необходимо решать нестационарную задачу. Для решения задачи использован метод деформируемых сеток, в котором уравнения записываются уже с учетом движения узлов сетки, определяемых в соответствии с пространственным движением лопастей, а для замыкания используется SST модель турбулентности. В данной работе представлены результаты тестовых расчетов аэродинамических характеристик НВ без и с учетом махового движения лопастей. Проводится сравнение коэффициентов силы тяги НВ CT и шарнирных моментов лопастей mш. Расчеты проводились в CFD пакете программ ANSYS CFX (Лицензия ЦАГИ № 501024). Смоделировано обтекание четырехлопастного НВ радиусом 2,5 метра на режиме косого обтекания. Скорость набегающего потока составляла 85 м/с при нормальных атмосферных условиях. Винт находился под углом атаки −10˚. Для расчета движения винта без учета маховых движений использовалась нестационарная система уравнений Навье – Стокса с замыканием SST моделью турбулентности. Расчет проводился до тех пор, пока изменение максимального значения тяги винта за оборот не станет менее 1 %. Для моделирования маховых движений лопасти были взяты законы управления и уравнения, описывающие угол взмаха лопасти как функцию от ее азимутального угла, полученные из эксперимента. Процедура перестроения сетки по заданному закону осуществлялась с использованием стандартных методов деформации сетки, представленных в программе ANSYS CFX. При решении нестационарных уравнений Навье – Стокса был использован дуальный шаг по времени. Полученные результаты показывают, что учет влияния маховых движений и циклического управления лопастями влияет на характер изменения коэффициента тяги НВ  за один оборот и существенно влияет на вид графика коэффициента шарнирного момента каждой лопасти.

The article considers the problem of the flow around the helicopter main rotor taking into account blades flapping in the plane of rotation and in the plane of thrust as well as the elastic blades deformation. The rotor rotation is modeled by the method of converting Navier-Stokes equations from a fixed coordinate system associated with the incoming flow into a rotating system associated with the rotor hub. For axial flow problems, this makes it possible to formulate the problem as stationary at a constant rotational speed of rotor. For a mode of skewed flow around the rotor in the terms of incident flow in this system it is necessary to solve the non-stationary problem. To solve the problem, the method of deformable grids is used, in which the equations are copied taking into account the grid nodes motion determined in accordance with the spatial blades motion, and SST turbulence model is used for closure. The results of the test calculations of the main rotor aerodynamic characteristics with and without blade flapping are presented in this paper. The coefficients of the main rotor thrust cT and the blades hinge moments mh are compared. The calculations were carried out in the CFD software ANSYS CFX (TsAGI License No. 501024). The flow around a four-bladed main rotor of a radius of 2.5 meters is modeled in the regime of skewed flow. The speed of the incoming flow came to 85 m/s under normal atmospheric conditions. The rotor was at an angle of attack of −10˚. To calculate the rotor motion without taking into account the flapping movements, we used the nonstationary system of Navier-Stokes equations with the closure with SST turbulence model. The calculation was being carried out until the change in the maximum value of the rotor thrust during one revolution became less than 1%. For modeling flapping blade movements, the control laws and equations describing the angle of blade flapping as a function from its azimuth angle obtained from the experiment were used. The procedure for reconstructing the grid according to a given law was conducted using standard grid deformation methods presented in the ANSYS CFX software. When solving the nonstationary Navier-Stokes equations, a dual time step was used. The obtained results show that accounting of the effect of flapping movements and cyclic control of the blades has an impact on the character of changing the main rotor thrust coefficient during one revolution and significantly changes the shape of the graph of the hinge moment coefficient of each blade.

фюзеляж вертолетааэродинамическая компоновкакоэффициент лобового сопротивленияSolidWorksCADANSYS CFXReferencesБелоцерковский С.М., Локтев Б.Е., Ништ М.И. Исследование на ЭВМ аэродинамических и аэроупругих характеристик винтов вертолета. М.: Машиностроение, 1992. 220 c.Belotserkovsky, S.M., Loktev, B.E. and Nisht, M.I. (1992). Issledovaniye na EVM aerodinamicheskikh i aerouprugikh kharakteristik vintov vertoleta [A computer study of the helicopter rotors aerodynamic and aeroelastic characteristics]. Moscow: Mashinostroeniye, 220 p. (in Russian)Апаринов А.А. О возможности применения сплайнов для дифференцирования полей скоростей в вихревых методах // Материалы XXVIII Научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского, 20–21 апреля 2017 г. 2017. C. 43–44.Aparinov, A.A. (2017). O vozmozhnosti primeneniya splaynov dlya differentsirovaniya poley skorostey v vikhrevykh metodakh [On the possibility of using splines for the differentiation of velocity fields in vortex methods]. Materialy XXVIII Nauchno-tekhnicheskoy konferentsii po aerodinamike, p. Volodarskogo, 20–21 aprelya 2017 g. [Proceedings of XXVIII Scientific and Technical Conference on Aerodynamics, settl. Volodarskiy, April 20–21, 2017], pp. 43–44. (in Russian)Кочиш С.И., Комков В.С. Расчет аэродинамических характеристик комбинаций несущих винтов с толкающими (тянущими) винтами в кольце перспективного скоростного вертолета в общем случае движения // Материалы XXVIII Научно-технической конференции по аэродинамике, п. Володарского, 20–21 апреля 2017 г. 2017. C. 153–154.Kochish, S.I. and Komkov, V.S. (2017). Raschet aerodinamicheskikh kharakteristik kombinatsiy nesushchikh vintov s tolkayushchimi (tyanushchimi) vintami v koltse perspektivnogo skorostnogo vertoleta v obshchem sluchaye dvizheniya [Aerodynamic characteristics computation of combinations of main rotors with pusher propellers in the ring of a perspective high-speed helicopter in the general case of motion]. Materialy XXVIII Nauchno-tekhnicheskoy konferentsii po aerodinamike, p. Volodarskogo, 20–21 aprelya 2017 [Proceedings of XXVIII Scientific and Technical Conference on Aerodynamics, settl. Volodarskiy, April 20–21, 2017], pp. 153–154. (in Russian)Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Шомов А.И. Интерференция несущего и рулевого винтов вертолета при полете со скольжением // Труды МАИ. 2015. № 82. С. 11.Ignatkin, Yu.M., Makeev, P.V. and Shomov, A.I. (2015). Interferentsiya nesushchego i rulevogo vintov vertoleta pri polete so skolzheniyem [Interference of the helicopter main rotor and the tail rotor in flight with glide]. Trudy MAI [The MAI Proceedings], no. 82, p. 11. (in Russian)Ridhwan N.A. Mohd N., Barakos G.N. Computational aerodynamics of hovering helicopter rotors // Jurnal Mekanikal. 2012. № 34. Pp. 16–46.Ridhwan, N.A. Mohd, N. and Barakos, G.N. (2012). Computational aerodynamics of hovering helicopter rotors. Jurnal Mekanikal, no. 34, pp. 16–46.Garipova L.I. Estimates of hover aerodynamics performance of rotor model / A.S. Batrakov, A.N. Kusyumov, S.A. Mikhailov, G.N. Barakos // Russian Aeronautics. 2014. Vol. 57, № 3. Pp. 223–231.Garipova, L.I., Batrakov, A.S., Kusyumov, A.N., Mikhailov, S.A. and Barakos, G.N. (2014). Estimates of hover aerodynamics performance of rotor model. Russian Aeronautics, vol. 57, no. 3, pp. 223–231.Garcia A.J., Barakos G.N. Hover predictions of the S-76 rotor using HMB2 – model to full scale // 54rd AIAA Aerospace Sciences Meeting. 2016. 2 Jan.Garcia, A.J. and Barakos, G.N. (2016). Hover predictions on the S-76 rotor using HMB2. 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2 Jan.Kusyumov A.N. Prediction of helicopter rotor noise in hover / S.A. Mikhailov, L.I. Garipova, A.S. Batrakov, G. Barakos // EPJ Web of Conferences 92, 02042. 2015. DOI: 10.1051/epjconf/ 20159202042Kusyumov, A.N., Mikhailov, S.A., Garipova, L.I., Batrakov, A.S. and Barakos, G. (2015). Prediction of helicopter rotor noise in hover. EPJ Web of Conferences. DOI: 10.1051/epjconf/ 20159202042Абалакин И.В. О численном моделировании аэродинамических и акустических характеристик винта вертолета / П.А. Бахвалов, В.Г. Бобков, А.В. Горобец, Т.К. Козубская, В.А. Аникин // Материалы XXIX Научно-технической конференции по аэродинамике, д. Богданиха, 01–02 марта 2018 г. 2018. C. 15.Abalakin, I.V., Bakhvalov, P.A., Bobkov, V.G., Gorobets, A.V., Kozubskaya, T.K. and Anikin, V.A. (2018). O chislennom modelirovanii aerodinamicheskikh i akusticheskikh kharakteristik vinta vertoleta [On the numerical simulation of the aerodynamic and acoustic characteristics of a helicopter rotor]. Materialy XXIX Nauchno-tekhnicheskoy konferentsii po aerodinamike, d. Bogdanikha, 01–02 marta 2018 g. [Proceedings of XXIX Scientific and Technical Conference on Aerodynamics, vil. Bogdanikha, March 01–02, 2018], p. 15. (in Russian)Вершков В.А. Алгоритм деформации сетки для учета циклического управления и маховых движений лопастей в задаче обтекания несущего винта вертолета // Научный Вестник МГТУ ГА. 2019. Т. 22, № 2. С. 62–74.Vershkov, V.A. (2019). Algoritm deformatsii setki dlya ucheta tsiklicheskogo upravleniya i mahkovihk dvizheniy lopastey v zadache obtekaniya nesushchego vinta vertoleta [The algorithm of mesh deformation for accounting cyclic blade control and blades flapping in the problem of helicopter main rotor modeling]. Civil Aviation High Technologies, vol. 22, no. 2, pр. 62–74. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.