直升机新型旋翼翼型气动特性与布局分析

利用结构网格计算流体力学(Computational fluid dynamics ,CFD)的翼型气动特性分析方法开展旋翼翼型气动特性计算。通过RAE282，NACA0012，OA212，OA207等翼型压力分布、升力和阻力等特性计算结果与试验结果的对比分析，验证了计算方法的准确性，并进一步完成了HF系列旋翼翼型的气动特性计算。基于翼型的气动特性，采用时间步进自由尾迹的旋翼气动性能分析方法开展旋翼桨叶翼型的气动布局优化设计，对悬停和前飞条件下的旋翼开展计算分析，得到两种条件下的旋翼气动特性。而后通过本文建立的优化方法开展旋翼翼型布局优化设计。     

共轴刚性旋翼桨毂阻力特性试验研究

为研究高速直升机共轴刚性旋翼桨毂的阻力特性,采用自研的桨毂模型试验台,在中国空气动力研究与发展中心FL-14风洞开展了风洞试验。试验模型为典型的共轴刚性旋翼桨毂模型,包括上、下桨毂整流罩模型和4种中间轴整流罩模型,分别为基准中间轴和基于翼型的优化外形。主要试验内容包括多种桨毂模型在不同转速、不同风速及不同模型姿态角下的阻力特性试验,以及桨根对桨毂阻力特性的影响试验等。风洞试验结果较好地反映了不同桨毂构型的阻力特性差异,获得了中间轴整流罩外形对桨毂阻力的影响规律;试验结果表明最优桨毂构型相对基准桨毂构型,可减阻37%。     

共轴刚性旋翼桨毂中间轴涡流发生器设计与减阻研究

为最大程度地降低共轴刚性旋翼桨毂的气动阻力，在其减阻设计方案中间轴处加装翼型截面的涡流分割器。首先设计了不同展长、弦长、安装位置和数量的涡流发生器加装方案，之后采用求解N-S方程的方法计算和分析了加装涡流发生器之后的桨毂阻力特性、表面压力和空间流动情况等。结果表明加装涡流发生器能使桨毂减阻方案的阻力降低约5%，弦长增大、涡流发生器位置向下桨毂方向移动有利于进一步降低阻力。研究结果可为涡流发生器的应用和桨毂减阻设计提供一定的参考。     

多涵道无人机设计及悬停性能数值仿真

针对无人机空中自主对接和组合飞行任务需求设计了6涵道螺旋桨无人机气动构型。运用数值模拟对该型无人机进行悬停工况气动特性研究，研究不同悬停转速下整机气动性能的变化，并在涵道环括工况下对螺旋桨进行气动优化。研究结果表明：螺旋桨是悬停升力的主要来源，随着转速变化，涵道升力始终占总升力的17%左右；阻力来自机体上表面和电机支架的迎风阻力，支架的阻力达到涵道螺旋桨总升力的10%；随着桨盘载荷提升，无人机功率载荷降低；涵道的存在影响了螺旋桨的滑流特性，造成桨盘平面轴向速度增加，截面翼型迎角变小，工作效率降低，经过合理调整其扭转角分布螺旋桨效率得到提升，拉力提高3.3%，效率提高2.9%。     

超低速翼型升阻特性实验研究

本文介绍了用我们设计的一种翼型升阻特性实验台来做翼型升阻特性窘验的情况。包括实验方案、设备的主要结构和实验结果分析。通过本实验，可以测得某一特定实验机翼的升力特性和阻力特性。     

水翼叶梢涡空化实验研究进展

针对螺旋桨、水轮机以及导管桨等叶片的梢涡空化现象，国内外学者开展了一系列相关实验研究。本文对梢涡空化起始(或初生)、发展与溃灭(或消失)等3个阶段的实验研究进展及成果进行综述，梳理未来的研究方向及关键问题，为梢涡空化研究提供参考。关于梢涡空化初生问题，基于旋涡理论模型及流场测量技术，对不同翼型的梢涡结构特征进行分析，根据空化发生的相变条件(即气核、低压以及低压作用时间)，初步认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化发展问题，以辐射噪声骤增为典型特征，借助空泡图像的高速摄影及声学信号同步采集技术，研究梢涡空化形态及对应的辐射噪声特征，通过进一步解释"涡唱"现象，深入认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化溃灭问题，溃灭发生位置一般远离桨叶等水力机械，对结构物的振动与剥蚀影响很小，本文不作详细阐述。此外，对梢涡空化初生的准确预报，一直是相关理论研究成果应用于工程实际所面临的一个重要问题。归根结底，主要是影响梢涡空化关键参数(比如载荷、雷诺数和水质等)的尺度效应问题和梢涡空化初生预报公式逐渐完善的问题。     

测力法在翼型动态失速试验研究中的应用

本文就利用测力法对ＮＡＣＡ００１２翼型在振荡条件下的动态失速特性进行的测试作了简要介绍，阐述了测力法在翼型动态实验研究中的一些特殊问题及其解决途径，并比较了两种实验研究方法的优缺点。     

旋翼翼型定常-非定常特性综合优化设计新方法

旋翼翼型对直升机旋翼及全机气动特性有至关重要的影响。结合直升机飞行特性及旋翼工作气动环境,本文提出了一种新的旋翼翼型设计理念,即定常优化设计同非定常设计相结合的方法来开展直升机旋翼专用翼型的优化设计。首先,建立旋翼翼型非定常气动特性的高精度CFD求解方法,以获得旋翼翼型在相应状态下的升力、阻力和力矩等气动参数。其次,针对旋翼翼型优化状态的特点,对于翼型静态优化及动态失速优化分别采用遗传算法和序列二次规划算法。在上述方法建立基础上,首先针对定常状态下的原始翼型(SC1095)进行优化设计,获得一个满足设计要求的静态优化翼型,进一步着重对该翼型在非定常状态下进行优化设计,成功地得到一种新翼型,并具有非常规外观。结果表明,在设计状态下,新翼型在保持良好定常气动特性的同时,明显减弱了动态失速状态下的分离涡,从而显著改善了翼型的动态失速特性。     

典型直升机旋翼翼型气动特性试验研究

采用高升阻比特性的翼型是提高直升机旋翼气动性能的关键.对在典型的OA309旋翼翼型基础上开发的CH309翼型,进行了低、高速气动特性风洞试验研究.试验分别在FL-14风洞和NF-6风洞中进行,采用表面测压和尾耙型阻测量技术.试验结果表明:CH309翼型的总体性能优于OA309翼型.试验结果为直升机旋翼设计时翼型的选取提供了参考.     

采用新翼型的函道螺旋桨气动特性实验研究

对国内、外螺旋桨翼型研制和发展的情况作了简单回顾后对分别采用ＮＰＵＰＲ翼型及ＮＡＣＡ－１６翼型设计的四种螺旋桨方案的气动设计方法作了简单说明，同时介绍了用这些方案进行风洞实验研究的主要结果，这些结果与计算结果相一致。此外，计算和实验结果表明：ＮＰＵＰＲ翼型设计的螺旋桨明显优于用ＮＡＣＡ－１６翼型设计的２方案，而用ＮＰＵＰＲ原翼型的Ｋ、Ｚ方案又明显优于应用户要求修型的１方案。     

叶片翼型结冰形态及其气动特性

针对风力机叶片翼型形状对结冰过程的影响及其导致的气动特性变化问题,采用欧拉法及热传质原理构建叶片结冰过程的数学模型并进行数值模拟分析。以NH02系列翼型族为例,建立翼型曲率特征模型,研究叶片关键参数如最大厚度对结冰量的影响机制,预测了某翼型在不同工况下的冰形及位置,探究了干净与结冰翼型的升、阻力特性变化规律。结果表明,结冰量与叶片的相对厚度及最大相对厚度所在位置呈正相关性;结冰导致升力系数变化范围为5%～20%,阻力系数为干净翼型的1.4～2.45倍;结冰致使翼型失速迎角变小,翼型提前进入失速状态。     

直升机悬停时涵道尾桨的需用功率计算

涵道尾桨是将一螺桨置于直升机尾斜梁的涵道中，通过改变螺桨叶片的安装角实现直升机的航向操纵。为了弄清涵道尾桨的拉力（或推力）和需用功率之间的关系，本文根据Ｒ·Ｋｒｉｅｂｅｌ关于薄圆柱涵道螺旋桨的研究结果，用叶栅理论分析了涵道尾浆的气动特性，并将动量理论、叶素理论和叶栅理论结合起来，推导出直升机悬停时的涵道尾浆的需用功率计算公式。最后计算了ＳＡ３６５Ｎ直升机涵道尾浆和Ｂｅｌｌ－２２２直升机常规尾桨在产生相同拉力时的需用功率，并对计算结果作了对比分析。     

超临界自然层流翼型NPU-L72513的风洞试验研究

超临界自然层流翼型具有很好的应用前景。西北工业大学翼型研究中心设计的我国第一个超临界自然层流翼型 NPU-L72513在 CARDC 高速所的跨声速风洞进行了试验,证明超临界自然层流翼型 NPU-L72513具有优良气动特性,其设计是成功的。同时说明我国已初步具有自行设计超临界自然层流翼型和进行相应风洞试验的能力。     

前缘外形对翼型动态失速特性影响分析

为模拟旋翼翼型动态失速特性，以非定常雷诺平均N-S方程为控制方程，采用双时间推进法，建立了旋翼翼型非定常流场模拟的CFD方法。为研究旋翼翼型前缘外形对动态失速特性的影响，在NACA0012翼型的 基础上，采用了不同的前缘变形量，设计了3类(每类2种，修改翼型1～６)不同类型的旋翼翼型，并对比分析了这3类翼型的动态失速特性。通过对比分析发现:翼型上表面变形能够有效地影响翼型的动态失速特性，上表面凸出变形增大，在一定范围内能有效抑制动态失速；翼型下表面变形对动态失速特性的影响较小；改变前缘附近弯度也可以在一定程度上影响翼型的动态失速特性，翼型的弯度增加，在一定范围内也能有效抑制动态失速特性。     

用于BVI噪声试验的新型涡发生器设计与分析

针对直升机特有的旋翼桨/涡干扰(Blade vortex interaction,BVI)噪声计算精度低且试验数据缺乏问题,也为了开展旋翼气动噪声特性分离方法的验证试验研究,本文设计了一种能够用于BVI噪声试验的新型多段翼型组合式涡发生器。首先通过CATIA软件建立涡发生器出口端翼型段在不同迎角下的试验模型,再使用FLUENT软件建立涡发生器的流场仿真计算模型,比较分析了不同翼型段迎角下的涡流流场。随后用粒子图像测速法(Particle image velocimetry,PIV)技术系统测量了不同翼型段迎角、距离涡发生器出口端的长度及流速等参数变化下的涡流流场,对不同试验状态下的涡核、涡强等参数进行了对比分析。针对涡量偏弱的缺点,对传统单级涡发生器进行了改进,设计研发了双级涡发生段。试验证明其能产生更强且稳定的涡,为BVI噪声试验提供了模拟的桨尖涡,试验结果表明了涡发生器的有效性。     

半模机翼振动对气动性能影响的风洞试验研究

为了验证翼型振动测压试验结果和有关振动数值模拟文献的计算结果,设计完成了对称翼型NA-CA0012和层流翼型NACA64-210两种半模机翼的低速风洞振动试验.通过专门研制的半模振动模型,选取5种激振方式,用直接测力法得到了模型在静态和不同激振方式下升力特性变化曲线,分别研究了振动频率、雷诺数、自然转捩和固定转捩、数据采集方式等参数对机翼气动特性的影响.试验结果表明:半模机翼振动的气动特性与二元翼型和数值计算情况有所不同,其影响因不同翼型构型、不同采集方式和翼面不同流动模式等会产生不同效果.并对产生原因进行初步探讨.     

地面效应下的不同翼型亚声速气动特性分析

采用数值方法研究了亚声速地面效应条件下不同翼型的气动特性,进一步以Ma=0.5来流工况为例,研究了翼型参数和飞行高度对气动特性的影响。计算结果表明在Ma为0.5、迎角为6°的地效情况下,翼型弯度减小,更容易在翼型前缘产生激波阻力;翼型下翼面后缘弯度增大使得后缘压力更高,升力系数和低头力矩相应增大;随着飞行高度的减小,地效作用加强,翼型下翼面压力增大,下翼面的升力增量大于上翼面吸力损失,机翼升力系数和升阻比增加越来越显著。     

基于遗传算法的变桨型风力机翼型设计

从提高叶片效率和降低叶片输出载荷两方面对翼型的设计要求进行了分析,并直接以叶片的综合性能为目标,采用遗传算法耦合XFOIL进行翼型的优化设计,最终以计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的计算结果作为翼型性能的评价依据,设计了相对厚度从18%到30%四个风力机专用翼型。从理论上分析了翼型形状改变与性能改善之间的对应关系。结果显示,与行业内成熟的翼型相比,新翼型在效率控制区内能取得更好的升阻力特性,同时在载荷控制区内能减小升力系数,因而采用该族翼型能够在提高叶片的发电量同时减小叶片的输出载荷,为叶片带来更好的综合性能。     

带缝翼多段翼型气动特性的实验研究

首先对测力和测压两种翼型的实验方法作了对比研究,在此基础上用测压法对多段翼型前缘缝翼气动特性进行了实验研究.结果表明,测力和测压两种方法均可用于翼型的实验研究,前缘缝翼缝道的不同构型对多段翼型的增升效果和气动效率(升阻特性)都有极大的影响.具有前缘缝翼最佳优化缝道多段翼型的最大升力系数CL max可达3.900,失速迎角α为31°,它比普通缝道多段翼型的最大升力系数(2.790)增加了39%,失速迎角增大了23°.     

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象.实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态.并测量了水翼所受的升阻力.利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征.结果表明:在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点.在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化.