CN108920811A - 一种用于直升机飞行仿真的模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于直升机飞行仿真的模拟方法及系统。所述模拟方法包括：建立直升机模型；对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。采用本发明的方法或系统能够有效模拟直升机动态飞行的过程及其流场的空间变化，精确地模拟直升机各部件的气动特性及气动干扰特性，提高飞行仿真的模拟精度。

Description

一种用于直升机飞行仿真的模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及直升机飞行领域，特别是涉及一种用于直升机飞行仿真的模拟方法及系统。

背景技术

近年来，由于直升机特有的飞行性能，无论在军用还是民用领域上，都有着广泛的需求和应用前景。而直升机的飞行仿真正是直升机研究中一个重要的研究方向，可为直升机设计和改型提供重要指导和依据。但是与固定翼飞机相比，直升机旋翼的气动特性、动力学特性又十分复杂，机身与旋翼也存在着较强的相互干扰。正是在这样的背景之下，开展适用于直升机飞行仿真的模拟方法显得尤为重要。

目前对于直升机的飞行仿真主要有半实物仿真实验方法和基于理论方法的直升机数字建模。我国在50年代末开始对飞行器进行半实物仿真实验，并逐渐建立了一批大型的仿真实验室，但是这种半实物仿真实验必须在实时环境下进行，实验周期长并且需要耗费大量人力和费用；而对于理论方法的直升机数字建模，非线性飞行动力学模型是进行直升机各类数值仿真的基础，动力学模型的选取往往对数值仿真的精度有直接影响，但是该方法难以精确地计算直升机各部件的气动力特性，无法很好地解决直升机各部件之间的气动干扰问题，特别是有时太过依赖于半经验公式、试验值和修正系数，这导致该方法在飞行仿真精度和通用性等方面存在着很大不足；国外美国的NASA、陆/海军、南加州大学等都开发了自己的直升机机动飞行仿真系统，如先进旋翼飞行器技术公司投资开发的FLIGHTAB，陆军开发的2GCHAS等。但是这些也都是单纯的从飞行动力学角度进行建模，无法精确地模拟直升机各部件的气动特性及气动干扰特性，这势必会降低飞行仿真的模拟精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于直升机飞行仿真的模拟方法及系统，用于精确地模拟直升机各部件的气动特性及气动干扰特性，提高飞行仿真的模拟精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于直升机飞行仿真的模拟方法，所述模拟方法包括：

建立直升机模型；

对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；

对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；

根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；

获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；

根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

可选的，所述对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格，具体包括：

对直升机所在背景网格区域中的网格进行挖洞和贡献单元搜索，得到重叠网格。

可选的，所述获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据，具体包括：

根据非定常控制方程、湍流模型、无粘通量以及时间推进方程计算重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据。

可选的，所述根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化，具体包括：

根据所述飞行数据和所述流场数据以可视化的形式得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于直升机飞行仿真的模拟系统，所述模拟系统包括：

模型建立模块，用于建立直升机模型；

背景网格获取模块，用于对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；

重叠网格获取模块，用于对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；

重叠虚拟盘体模型建立模块，用于根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；

飞行数据、流场数据获取模块，用于获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；

姿态数据、流场变化获取模块，用于根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

可选的，所述重叠网格获取模块，具体包括：

重叠网格获取单元，用于对直升机所在背景网格区域中的网格进行挖洞和贡献单元搜索，得到重叠网格。

可选的，所述飞行数据、流场数据获取模块，具体包括：

飞行数据、流场数据获取单元，用于根据非定常控制方程、湍流模型、无粘通量以及时间推进方程计算重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据。

可选的，所述姿态数据、流场变化获取模块，具体包括：

姿态数据、流场变化获取单元，用于根据所述飞行数据和所述流场数据以可视化的形式得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开一种用于直升机飞行仿真的模拟方法及系统。所述模拟方法包括：建立直升机模型；对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。本发明所建立的数值模拟方法在于基于“重叠虚拟盘体”的CFD技术，能够有效模拟直升机动态飞行的过程及其流场的空间变化，与传统飞行仿真方法相比，能够精确地模拟直升机各部件的气动特性及气动干扰特性，提高飞行仿真的模拟精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例用于直升机飞行仿真的模拟方法流程图；

图2是基于“重叠虚拟盘体”方法，直升机飞行仿真过程中的初始状态；

图3是飞行仿真过程中直升机旋翼姿态的实时变化；

图4是飞行仿真过程中直升机飞行位置的实时变化；

图5为本发明实施例用于直升机飞行仿真的模拟系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例用于直升机飞行仿真的模拟方法流程图。如图1所示，一种用于直升机飞行仿真的模拟方法，所述模拟方法包括：

步骤101：建立直升机模型；

步骤102：对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；

步骤103：对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；

步骤104：根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；

步骤105：获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；

步骤106：根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

步骤103具体包括：

对直升机所在背景网格区域中的网格进行挖洞和贡献单元搜索，得到重叠网格。

步骤105具体包括：

根据非定常控制方程、湍流模型、无粘通量以及时间推进方程计算重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据。

步骤106具体包括：

根据所述飞行数据和所述流场数据以可视化的形式得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

本发明所建立的数值模拟方法在于基于“重叠虚拟盘体”的CFD技术，能够有效模拟直升机动态飞行的过程及其流场的空间变化，与传统飞行仿真方法相比，能够精确地模拟直升机各部件的气动特性及气动干扰特性，提高飞行仿真的模拟精度。

具体实施例1：

本发明的一种基于“重叠虚拟盘体”的直升机飞行仿真数值模拟方法主要包括以下几个步骤：

第一步，完成直-9直升机和舰船模型的建模；

第二步，应用自编程序针对上步所建立的模型完成其重叠网格区域以及背景网格区域的网格划分；

第三步，需要对直升机所在的重叠网格在背景网格区域中进行挖洞和贡献单元搜索，以此来建立这两块网格区域之间的连接关系；

第四步，在直-9直升机飞行仿真模拟计算之前，给定直升机的计算状态，以及旋翼和尾桨桨叶的相关参数，并运用虚拟盘体来代替旋翼和尾桨对气流的作用；

第五步，进行给定计算状态的流场初始化。若是第一次数值模拟计算，可将来流状态的流场参数作为计算初值；若是之前计算过相同飞行状态，则可将其最终流场作为本次计算的流场初值，以加快计算的收敛速度。

第六步，计算直-9直升机计算域的流场，包括求解控制方程、湍流模型、无粘通量以及时间推进等，以此更新网格所对应的流场信息。在该数值模拟方法中，鉴于粘性对气动特性的影响，采用非定常N-S方程作为控制方程，具体表达式为：

其中，为守恒变量，为对流通量，为粘性通量，为动量源项，为微元面外法矢单位向量，dS为微元面积，t为时间。

湍流模型采用航空领域常用的k-ε两方程模型，需要求解湍动能及其耗散率方程。其湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：

其中，G_k表示由于平均速度梯度引起的湍动能，G_b是用于浮力影响引起的湍动能；Y_M是可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。作为默认值常数，C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_μ＝0.09，湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3。μ为层流粘性系数，μ_t为湍流粘性系数，ρ为密度。

采用Jameson中心格式的有限体积法对控制方程进行空间离散，由于每个单元的体积不发生变化，因此可将控制方程改写为：

其中，n_s表示控制单元V_i,j,k的总面数，式中V_i,j,k代表控制单元体体积，S_m为控制单元每个面的表面积。

采用低耗散的Roe格式来计算无粘通量以提高旋翼流场的模拟精度。设单元交接面上的无粘通量为其计算公式为：

其中，下标L表示交界面左侧，下标R表示交界面右侧。代表Roe的平均雅克比矩阵。

为了准确捕捉非定常流场特性，本数值方法采用双时间方法进行时间推进，并通过采用当地时间步长、残差光顺来加速流场收敛。具体表达形式如下：

其中，t表示物理时间，n为t上的层数，指的是时间差分形式；

第七步，根据上步的数值模拟方法选择定常状态进行分析计算，在迭代5000步以后获得一个初始化的流场；

第八步，在此初始化流场之上，输入直升机的初始运动速度和操纵量，以非定常状态进行直升机飞行仿真的数值模拟计算，每隔一秒提取一次流场的信息，并实时记录、动态更新直升机的飞行状态，以可视化的动画形式输出直升机飞行过程中姿态和流场的变化，如附图所示为直升机飞行过程中不同时间状态的示意图；

第九步，给定直升机的运动时间，待流场稳定后，飞行仿真的数值模拟计算结束；

对直升机飞行仿真过程中计算的流场以及气动力的变化进行分析研究，以便给出驾驶员在该飞行状态时需要调整的操纵量，同时也可以为直升机气动外形的改进提供重要的指导和依据。图2是基于“重叠虚拟盘体”方法，直升机飞行仿真过程中的初始状态。图3是飞行仿真过程中直升机旋翼姿态的实时变化。图4是飞行仿真过程中直升机飞行位置的实时变化。

本发明的优点在于：

(1)本发明所建立的数值模拟方法在于基于“重叠虚拟盘体”的CFD技术，能够有效模拟直升机动态飞行的过程及其流场的空间变化，与传统飞行仿真方法相比，具有更高的精度并大大提高了计算效率；

(2)飞行仿真的数值模拟主要取决于气动力的计算精度，而本专利提出的一种耦合计算流体力学的数值分析方法，能够精确模拟直升机各部件的气动特性及气动干扰特性，且几乎不受气动外形的限制，具有更广泛的通用性和工程实际应用价值。

图5为本发明实施例用于直升机飞行仿真的模拟系统结构图。如图5所示，一种用于直升机飞行仿真的模拟系统，所述模拟系统包括：

模型建立模块501，用于建立直升机模型；

背景网格获取模块502，用于对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；

重叠网格获取模块503，用于对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；

重叠虚拟盘体模型建立模块504，用于根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；

飞行数据、流场数据获取模块505，用于获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；

姿态数据、流场变化获取模块506，用于根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

所述重叠网格获取模块503，具体包括：

重叠网格获取单元，用于对直升机所在背景网格区域中的网格进行挖洞和贡献单元搜索，得到重叠网格。

所述飞行数据、流场数据获取模块505，具体包括：

飞行数据、流场数据获取单元，用于根据非定常控制方程、湍流模型、无粘通量以及时间推进方程计算重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据。

所述姿态数据、流场变化获取模块506，具体包括：

姿态数据、流场变化获取单元，用于根据所述飞行数据和所述流场数据以可视化的形式得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于直升机飞行仿真的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括：

建立直升机模型；

对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；

对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；

根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；

获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；

根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

2.根据权利要求1所述的用于直升机飞行仿真的模拟方法，其特征在于，所述对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格，具体包括：

对直升机所在背景网格区域中的网格进行挖洞和贡献单元搜索，得到重叠网格。

3.根据权利要求1所述的用于直升机飞行仿真的模拟方法，其特征在于，所述获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据，具体包括：

根据非定常控制方程、湍流模型、无粘通量以及时间推进方程计算重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据。

4.根据权利要求1所述的用于直升机飞行仿真的模拟方法，其特征在于，所述根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化，具体包括：

根据所述飞行数据和所述流场数据以可视化的形式得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

5.一种用于直升机飞行仿真的模拟系统，其特征在于，所述模拟系统包括：

模型建立模块，用于建立直升机模型；

背景网格获取模块，用于对直升机飞行背景区域进行网格划分，得到背景网格；

重叠网格获取模块，用于对直升机当前飞行区域进行划分，得到与所述背景网格重叠的重叠网格；

重叠虚拟盘体模型建立模块，用于根据所述背景网格和所述重叠网格建立重叠虚拟盘体模型，所述重叠虚拟盘体模型包括直升机旋翼和尾桨；

飞行数据、流场数据获取模块，用于获取所述重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据；

姿态数据、流场变化获取模块，用于根据所述飞行数据和所述流场数据得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。

6.根据权利要求5所述的用于直升机飞行仿真的模拟系统，其特征在于，所述重叠网格获取模块，具体包括：

重叠网格获取单元，用于对直升机所在背景网格区域中的网格进行挖洞和贡献单元搜索，得到重叠网格。

7.根据权利要求5所述的用于直升机飞行仿真的模拟系统，其特征在于，所述飞行数据、流场数据获取模块，具体包括：

飞行数据、流场数据获取单元，用于根据非定常控制方程、湍流模型、无粘通量以及时间推进方程计算重叠虚拟盘体模型的飞行数据和流场数据。

8.根据权利要求5所述的用于直升机飞行仿真的模拟系统，其特征在于，所述姿态数据、流场变化获取模块，具体包括：

姿态数据、流场变化获取单元，用于根据所述飞行数据和所述流场数据以可视化的形式得到直升机在飞行过程中的旋翼和尾桨的姿态数据以及流场变化。