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旋翼非定常流场的黏性涡数值模拟方法及其混合方法的研究
摘要：
本文以旋翼非定常流场的黏性涡数值模拟方法及其混合方法为主题，介绍了涡模拟方法、计算流体动力学方法以及混合方法的基本原理和数学模型，并讨论了对模拟过程的优化。其中，涡模拟方法建立了非定常涡核的演化模型，可以有效地模拟非定常流场，但是计算量比较大。计算流体动力学方法采用基本方程组的数值解法计算复杂流场，具有较好的精度和可靠性，但是对边界条件比较敏感。混合方法结合了两种方法的优势，处理旋翼湍流流动问题具有重要的应用价值。
关键字：旋翼；非定常流场；涡模拟方法；计算流体动力学方法；混合方法
1.引言
近年来，旋翼的流动模拟已经成为飞行器设计和研究中的重要问题之一。非定常流场的研究对于旋翼气动性能和控制特性具有至关重要的作用。目前，涡模拟方法、计算流体动力学方法和混合方法是研究旋翼非定常流场的主流方法，都得到了广泛的应用。
2.涡模拟方法
涡模拟方法是一种描述流动中涡旋演化的数值模拟方法，将涡旋设为流场的基本要素，通过数值计算模拟涡旋演化过程，从而得到非定常流场信息。在旋翼流动问题中，涡模拟方法可以有效地模拟非定常涡核的演化，可以细致地描绘出旋翼流动的细节。
涡模拟方法的核心是建立流场中的涡核演化模型。最简单的涡模拟模型是基于Burgers方程，可以描述二维不可压缩流动问题。对于旋翼三维流动问题，需要建立非定常涡核演化模型，如在SMAC方法中采用了非定常涡晕再生模型，可以模拟小涡旋不断生长并合并的过程。
然而，涡模拟方法计算时需要求解流场中无穷多个微小涡核的非定常运动，计算量比较大。为此，需要采用优化策略，如网格适应性、时间步长自适应和可变精度计算等方法来优化计算过程。
3.计算流体动力学方法
计算流体动力学方法是基于流体基本方程的数值解法，可以处理复杂的三维流场问题。目前较为成熟的计算流体动力学方法有有限体积法和有限元法两种。其中，大涡模拟方法和雷诺平均Navier-Stokes方程方法是计算流体动力学方法中常用的处理湍流问题的方法。
在旋翼气动特性研究中，计算流体动力学方法可以模拟旋翼三维复杂流场，可以得到较准确的结果。但是，计算流体动力学方法对于主旋翼-尾旋翼交互作用等特殊情况较为敏感，需要较为高级的边界条件处理方法。
4.混合方法
混合方法结合了涡模拟方法和计算流体动力学方法的优点，是近年来研究旋翼湍流流动问题的主流方法之一。
混合方法主要为将涡模拟方法作为高精度方法，计算流体动力学方法作为低精度方法进行耦合而发展而来。其中，活塞移动冲压合成法、时间非定常域耦合法和多重网格法是典型的混合方法。
混合方法共同的特点是将涡模拟方法的高精度和计算流体动力学方法的低计算量相结合，处理旋翼湍流流动问题具有非常重要的应用价值。
5.结论
本文介绍和分析了涡模拟方法、计算流体动力学方法和混合方法的原理、数学模型和应用特点，对比分析了各自的优缺点和适用范围。在旋翼飞行器研究中，不同方法可针对不同问题进行选择和使用。未来的研究方向应当是将这些方法更好地结合起来，形成更为灵活和高效的计算方法，实现更准确、更高效的流场计算。