[发明专利]基于有限状态的旋翼系统诱导流场的轴向诱导速度计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及旋翼系统诱导流场的轴向诱导速度计算方法。

背景技术

伴随着直升机，大型风机发电设备的不断发展，为满足相应的系统的设计指标和要求，深入了解系统动态特性，准确的模型已经显得越来越重要。而在这类系统中，无疑旋翼系统的模型和动态将起到重要的影响，而准确计算旋翼的动态特性的关键之一是精确表达旋翼桨盘及其周围的空气诱导速度，它与旋翼存在着作用与反作用的关系。当旋翼发生扰动时，旋翼气动载荷的变化必然引起诱导速度的变化，而这一变化又会反过来影响旋翼的气动载荷，进而影响旋翼的运动特性。旋翼系统坐标系的建立如图1所示。

准确的计算空气诱导速度场是旋翼系统准确建模的关键问题，国内外很多旋翼系统的建模过程中，采用动量定理或者Pitt-Peters等较低阶次的动态入流模型，导致建模误差较大，无法准确地反映旋翼系统相关特性。虽然也有高阶次的动态入流模型提出和应用，如Peters-He模型和Peters-Morillo模型，但这两个模型均有其固有的不足和缺陷，制约了他们的应用。而运用大型流体计算软件计算诱导流场，往往边界条件设置复杂，计算量大，耗时耗力且无法保证实时性。与此同时，现代对直升机，大型风力发电机的要求越来越高，疲劳特性和机动特性等应该在设计阶段就得到预先分析、计算和检验，必然需要较高精度的模型予以验证；以上问题导致现有的计算方法难以同时兼顾快速计算和快速收敛的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有计算方法难以同时兼顾快速计算和快速收敛的要求的问题，而提出基于有限状态的旋翼系统诱导流场的轴向诱导速度计算方法。

基于有限状态的旋翼系统诱导流场的轴向诱导速度计算方法具体过程为:

步骤一、获取旋翼平面上方空间内测试点集在椭圆坐标系ν,η,下的坐标；

步骤二、设定最大谐波参数N(设定范围一般可选为8-15)，根据最大谐波参数求解相应矩阵参数，并根据正弦分量的动态压力系数余弦分量的动态压力系数及相应矩阵参数，求解

相应矩阵参数为[M^c]、[M^s]、[D^c]、[D^s]、[L^c]、[L^s]；

其中[M^c]、[M^s]代表余弦和正弦分量的质量矩阵，[D^c]、[D^s]代表余弦和正弦分量的阻尼矩阵，[L^c]为余弦分量的关联系数矩阵、[L^s]为正弦分量的关联系数矩阵，为Peters-Morillo模型展开系数；

步骤三、根据(包含奇偶数量)求解(只包含奇数量)；

其中为混合模型中分别对应余弦和正弦奇数量的系数；

步骤四、根据和步骤一获取的测试点集在椭圆坐标系ν,η,下的坐标构建混合模型，基于混合模型求解旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度

步骤五、根据混合模型计算得到的旋翼平面上方测试点处的轴向诱导速度和Peters-Morillo模型计算得到的旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度建立重构模型，根据重构模型计算旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度v_z；

步骤六、利用基因算法、蚂蚁算法或粒子算法对重构模型中的系数进行优化，使重构模型误差达到最小，最终求出优化后重构模型，根据优化后重构模型计算旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度v′_z。

本发明的有益效果为：

本发明方法通过建立旋翼平面上方测试点集在椭圆坐标系ν,η,下的坐标，整合了现有的Peters-He模型与Peters-Morillo模型，求解相应矩阵参数，构建混合模型，基于混合模型求解旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度并根据旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度和Peters-Morillo模型计算得到的旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度建立重构模型，根据重构模型计算旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度v_z，对重构模型中的a、c进行优化，使误差e达到最小，并求出优化后重构模型，根据优化后重构模型最终得到旋翼平面上方测试点处诱导流场的轴向诱导速度v′_z，完成本发明基于有限状态的旋翼系统诱导流场的轴向诱导速度计算方法，达到了同时兼顾快速计算和快速收敛的要求。