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技术方案

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，本发明专利技术涉及旋翼系统诱导流场的轴向诱导速度计算方法。本发明专利技术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。过程为:一、获取旋翼平面上方空间内测试点集在椭圆坐标系下的坐标；二、设定最大谐波参数，根据最大谐波参数求解相应矩阵参数，并根据

An axial induction velocity calculation method for the induced flow field of a rotor system based on finite state

A method for calculating the axial induced velocity of a rotor system induced flow field based on finite state method is presented, which relates to the axial induced velocity calculation method of induced flow field in a rotor system. The aim of the present invention is to solve the problem that the existing computing method is difficult to take into account the requirements of fast calculation and fast convergence. The process is as follows: first, get the coordinates of the internal test set of the upper wing of the rotor plane in the ellipse coordinate system; two, set the maximum harmonic parameter, and solve the corresponding matrix parameters according to the maximum harmonic parameter.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及旋翼系统诱导流场的轴向诱导速度计算方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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[Mc]、[Ms]、[Dc]、[Ds]、[Lc]、[Ls]；其中[Mc]、[Ms]代表余弦和正弦分量的质量矩阵，[Dc]、[Ds]代表余弦和正弦分量的阻尼矩阵，[Lc]为余弦分量的关联系数矩阵、[Ls]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vz；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。本专利技术的有益效果为：本专利技术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vz，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，完成本专利技术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。结合实施例一选取a＝19.8,c＝0.3，作为一组假定优化后的参数，比较改进后模型的优越性。其中图4-图9为旋翼系统z＝0平面上，不同角度下，在静态压力(ω＝0)和动态压力(ω＝4)下的轴向诱导速度对比图。可以看出在-1＜x＜1区间上，重构模型比Peters-Morillo模型接近准确理论解，尤其在大角度时(χ＝89°)，改进效果更明显。在边沿处，可以有效计算轴向诱导速度。在-1＜x＜1区间外与Peters-Morillo模型收敛速度基本一致。图10-图13为旋翼系统z＝-0.5平面上不同角度下，在静态压力(ω＝0)和动态压力(ω＝4)下的轴向诱导速度对比图。可以看出在旋翼平面上方，重构模型和Peters-Morillo模型具有相似的收敛速度和准确性。以上结果也充分说明，本专利技术的计算方法在大角度、旋翼边缘有更好的收敛特性。附图说明图1为建立的旋翼系统坐标系示意图；图2为重构模型计算算法流程图；图3为优化过程流程图；图4为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝0及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝0°，静态压力ω＝0)；x,y,z为笛卡尔坐标系下的坐标，为对应模态的动态压力系数，ω为动态压力的频率，Peter-Morrilo模型为(11)式，χ指尾流倾角；图5为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝0及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝45°，静态压力ω＝0)；图6为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝0及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝89°，静态压力ω＝0)；图7为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝0及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝0°，动态压力ω＝4)；图8为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝0及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝45°，动态压力ω＝4)；图9为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝0及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝89°，动态压力ω＝4)；图10为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝-0.5及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝0°，静态压力ω＝0)；图11为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝-0.5及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝89°，静态压力ω＝0)；图12为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝-0.5及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝0°，动态压力ω＝4)；图13为Peter-Morrilo模型方法、本专利技术重构模型方法、准确理论解方法在y＝0,z＝-0.5及时轴向诱导速度对比结果图(χ＝89°，动态压力ω＝4)。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式为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(是旋翼平面上方的半球形空间区域内，半径可以无穷大，旋翼平面把本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：所述方法具体过程为: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,

【技术特征摘要】
1.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，其特征在于：所述方法具体过程为: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，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[Mc]、[Ms]、[Dc]、[Ds]、[Lc]、[Ls]；其中[Mc]、[Ms]代表余弦和正弦分量的质量矩阵，[Dc]、[Ds]代表余弦和正弦分量的阻尼矩阵，[Lc]为余弦分量的关联系数矩阵、[Ls]为正弦分量的关联系数矩阵，为Peters-Morillo模型展开系数；步骤三、根据求解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vz；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。2.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述步骤二中设定最大谐波参数N，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，求解具体过程为：分别计算Peters-Morillo模型的余弦和正弦分量：其中代表系数的一阶导数，[]-1表示对关联系数矩阵求逆运算；且[Mc]、[Ms]、[Dc]、[Ds]、[Lc]、[Ls]矩阵的构造均遵从如下的关系：其中m、n、j、r为矩阵元素所在位置的索引信息，且满足r≤j≤N，m≤n≤N，odd代表加和为奇数，even代表加和为偶数；[Mc]、[Ms]、[Dc]、[Ds]、[Lc]、[Ls]矩阵中各元素计算公式如下：[Mc]和[Ms]矩阵中各元素的计算公式为：为中间变量；(A)！！代表数A的双阶乘，有如下定义(A)！！＝A(A-2)(A-4)…2,A＝even(A)！！＝A(A-2)(A-4)…1,A＝odd0！！＝1；(-1)！！＝1；(-2)！！＝∞；(-3)！！＝-1；(A)！！表示(n+m-1)！！、(n-m-1)！！、(n+m)！！、(n-m)！！、(j+m-1)！！、(j-m-1)！！、(j+m)！！、(j-m)！！；当r＝m；j＝n±1；j+r＝odd；n+m＝even；当r＝m；j＝n±1；j+r＝even；n+m＝odd；为中间变量；(A)！！代表数A的双阶乘，有如下定义(A)！！＝A(A-2)(A-4)…2,A＝even(A)！！＝A(A-2)(A-4)…1,A＝odd0！！＝1；(-1)！！＝1；(-2)！！＝∞；(-3)！！＝-1；(A)！！表示(j+r-1)！！、(j-r-1)！！、(j+r)！！、(j-r)！！；当r＝m；j+r＝even；n+m＝even；当r≠m；其中[Mc]和[Ms]矩阵的差别在于[Ms]矩阵中不含有r＝0的所有行和列；[Dc]和[Ds]矩阵中各元素的计算公式为：当r＝m；j+r＝odd；n+m＝odd；当r＝m；j+r＝even；n+m＝even；当r＝m；j+r＝odd；n+m＝even；当r＝m；j+r＝even；n+m＝odd；当r≠m；其中为中间变量，其中[Dc]和[Ds]矩阵的差别在于[Ds]矩阵中不含有r＝0的所有行和列；[Lc]矩阵和[Ls]矩阵中各元素的计算公式为：且式中Xm、X|m-r|、X|m+r|、为中间变量；其中min(r,m)代表比较r、m，取两者中较小的整数；当r+m＝odd；j+r＝odd；n+m＝odd；当r+m＝odd；j+r＝even；n+m＝even；当r+m＝even；j...

【专利技术属性】
技术研发人员：费中阳，史爽，杨宪强，关朝旭，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23