小型无人涵道飞行器飞行动力学特性

为了研究无人涵道飞行器的配平特性与稳定性,首先进行了全尺寸涵道螺旋桨风洞吹风试验,分析了涵道螺旋桨的气动特性并建立了涵道螺旋桨的气动模型,在此基础上建立了无人涵道飞行器的飞行动力学数学模型,对无人涵道飞行器进行了配平特性与稳定性分析.结果表明:前飞速度与迎角对涵道螺旋桨气动特性影响很大,导致无人涵道飞行器在不同前飞速度下稳定性与操纵性变化较大.在悬停及小前飞速度下,无人涵道飞行器是一种类似倒立摆的不稳定体,而且气动阻尼较小,无人涵道飞行器的速度与姿态角发散很快,倍幅时间约为0.5s;在大前飞速度下,无人涵道飞行器的气动阻尼增加,飞行稳定性改善,但出现了纵向反操纵现象,增加了无人涵道飞行器的飞行控制难度.     

桨尖与壁面间隙对涵道螺旋桨气动性能的影响

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,分析涵道螺旋桨力学特性和流场分布规律,研究了桨尖与涵道壁面距离,对涵道螺旋桨气动性能的影响。随着桨尖与壁面距离的增大,涵道内桨叶背风面压力逐渐增大,迎风面压力变化不大,使得螺旋桨拉力逐渐增大;涵道内壁面桨盘前低压区压力增大逐渐增大,桨盘后高压区压力逐渐减小,使得涵道附加推力逐渐减小;涵道与螺旋桨相互作用逐渐削弱,也使得涵道螺旋桨总拉力有逐渐减小的趋势。涵道会拟制桨尖漩涡,从而提高总的气动效率,但拟制作用会随桨尖距离的增大,而逐渐削弱;因此,涵道螺旋桨总气动效率有随桨尖距离增大逐渐减小的趋势。     

涵道螺旋桨与孤立螺旋桨气动特性的 数值模拟对比

基于非结构动态嵌套网格方法,对涵道螺旋桨与孤立螺旋桨的气动特性进行了非定常Euler方程数值模拟对比研究和分析.将计算区域分成旋转区与静止区两个子域,生成相互重叠的嵌套网格,有效地解决了螺旋桨与涵道以及静止部分桨毂之间的相对旋转问题.计算结果与实验结果相一致,验证了计算方法的正确性.涵道入口前缘形成的负压区是产生涵道附加拉力的原因所在.对比计算结果表明:与孤立螺旋桨相比,涵道的存在改善了螺旋桨桨尖区域的绕流特性,减小了桨尖损失;相同转速情况下,涵道螺旋桨产生更大的拉力,而所需功率略小,涵道螺旋桨系统具有更高的气动效率.      

共轴双桨涵道无人飞行器非定常气动特性

基于滑移网格技术和SST(shear stress transport) k -ω湍流模型,建立了模拟共轴双桨涵道无人飞行器(UAV)流场的CFD(计算流体动力学)数值方法,并通过计算风洞实验算例验证其有效性。数值模拟了共轴双桨涵道UAV在飞行过程中的动态流场,分析了涵道、飞行速度、螺旋桨转速、攻角等因素对其非定常气动特性的影响规律。计算结果表明:所建立的CFD数值计算方法适于模拟共轴双桨涵道UAV动态流场;涵道的存在显著削弱涵道螺旋桨的桨尖涡、后缘脱体涡和尾流收缩,具有较弱的桨-涡干扰和涡-涡干扰现象,明显减小共轴双桨涵道UAV的需用功率;随前飞速度增大,共轴双桨涵道UAV的升力和阻力同时增大;随螺旋桨转速增大,共轴双桨涵道UAV升力增大,而阻力减小;随攻角增大,共轴双桨涵道UAV的阻力增大,而升力先增大后减小。      

高速直升机涵道风扇矢量推进系统模型悬停状态的气动力测量研究

为了提高直升机的飞行速度,出现了用涵道风扇矢量推力系统取代常规的尾桨和尾翼的复合式高速直升机.然而,涵道风扇矢量推进系统各部件间相互作用很复杂,从理论上确定涵道风扇矢量推进系统的气动特性尚有相当难度,为了研究涵道风扇矢量推进系统气动特性,利用涵道风扇矢量推进系统试验模型,通过试验实测该系统在轴流状态的气动力及舵面偏角和设计参数对系统气动力的影响,得到了一些涵道风扇矢量推进系统所特有的气动现象,其结果可作为理论建模的依据.     

桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响

采用基于非结构网格的滑移网格技术,对悬停状态下涵道螺旋桨流场进行了非定常Euler方程数值模拟,分别考查了桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响.桨尖间隙比的变化范围取为0~1.37%,双桨间距变化范围取为0.25~0.65倍的桨叶半径.研究发现:随着桨尖间隙增大,涵道螺旋桨拉力降低,功率载荷减小;桨尖间隙比存在一个临界值,约为1.10%,在该值附近,桨尖泄漏涡显著增强,引起涵道和螺旋桨的拉力分配关系剧烈变化,涵道拉力占总拉力的比值下降10.27%,系统气动性能迅速恶化;大间隙下桨尖泄漏流表现出较强的非定常现象.增大双桨间距可以提高共轴双桨涵道的气动效率,但是因为涵道对螺旋桨滑流的改善作用,这种影响并不显著,气动力的相对变化量在3%以内.     

矢量电推进系统的气动-推进耦合模型

提出了一种适用于矢量电推进系统的气动-推进耦合模型，旨在通过结合理论模型与工程经验模型，实现对矢量电推进系统气动与推进性能的实时快速评估。为了准确描述系统的气动-推进耦合效应，首先，结合涵道推进增强系数公式与工程经验模型，建立涵道推进模型；紧接着建立了涵道气动模型，并基于推进效应影响完成了模型修正；然后，分析了涵道气流抽吸效应对机翼的影响，根据涵道是否倾转分别进行了讨论，完成了耦合推进系统的机翼增升模型的建立；最后，将所有模型统一至机体坐标系下，得到矢量电推进系统的气动-推进耦合模型，并依据CFD仿真计算进行了模型验证与分析。结果表明：所提出的气动-推进耦合模型可以准确描述涵道增推与机翼增升效应，能在极快的运算速度下保持较高精度，满足动力学系统与飞行控制系统的实时计算要求。     

共轴反桨涵道式推进单元地面效应气动性能

为了研究共轴反桨涵道式推进单元近地面悬停时的气动特性,通过气动性能测试分别研究了转速、桨盘间距和离地距离对推进单元的气动影响。同时,通过CFD数值仿真分析了其速度场和压力场分布,分析了共轴反桨涵道式推进单元地面效应的流场特性。结果表明,当涵道扩散口到地面的距离小于两倍桨盘半径时,地面效应开始起作用;当离地距离小于一倍桨盘半径时,地效非常显著,品质因子(FM)最高提升了约30%。随着离地距离的减小,涵道拉力随之降低,这是由于入流速度的降低导致涵道唇口处的压力峰值下降。桨盘间距对地面效应影响不大。涵道以及螺旋桨的拉力、反扭矩与螺旋桨转速的平方近似成正比。      

基于扭矩平衡的涵道风扇垂直起降无人机新概念设计

针对应用于短距／垂直起降飞机的涵道风扇升力系统进行了特性分析与应用研究,对涵道螺旋桨常规的动量一叶素理论计算模型进行了修正处理,建立了适用于总体设计阶段特性估算的计算模型。应用CFD技术对单独螺旋桨和涵道螺旋桨进行了不同流动状态下的特性计算,总结了其变化规律,并基于CFD滑流区诱导速度计算结果对前面建立的理论计算模型进行了二次修正。最后提出了一种基于扭矩平衡的涵道风扇垂直起降无人机新概念,在总体设计层面进行了参数分析与优化。     

基于非结构嵌套网格的涵道螺旋桨数值模拟

基于非结构嵌套网格方法,通过求解可压缩Euler方程对涵道螺旋桨系统的非定常流场进行了数值模拟,并研究了桨尖间隙、螺旋桨位置、涵道尾扩张角等参数的影响规律.将计算区域分为相互重叠的旋转区域和静止区域,旋转区域包含螺旋桨和旋转的桨毂,静止区域包含涵道和部分静止的桨毂,采用嵌套网格算法真实地模拟了螺旋桨和涵道之间的相对旋转运动,得到了细致的螺旋桨流场.计算值和实验测量值的对比结果相一致.参数影响研究表明,减小桨尖间隙、在一定范围内后移螺旋桨或增加尾扩张角,均可以提高涵道螺旋桨的气动性能.     

一种涵道螺旋桨优化设计新方法研究

根据Theodorsen的片条理论、涵道后缘的库塔条件以及边界页微元涡丝的诱导方程,构筑了涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型,用该模型代替Prandtl的动量损失函数及环量函数,将自由螺旋桨的最小能量损失的设计方法加以推广,优化设计了涵道螺旋桨。     

一种涵道螺旋桨的简便设计方法

由于涵道和螺旋桨互相干扰的复杂性,通常涵道螺旋桨的设计需要较多经验和较长时间。提出一种将动量定理、轴流式通风机相似理论和旋转机械叶素理论相结合的工程方法,该方法应用在涵道螺旋桨初步设计阶段,可快速确定桨叶和涵道初始外形。首先根据动量理论计算通过桨盘的流量,再由轴流通风机相似理论确定桨盘直径与轮毂比,然后运用叶素理论设计桨叶的几何形状。风洞实验结果表明：该设计方法实用、有效,从而可以加快涵道螺旋桨设计过程。     

涵道螺旋桨动力装置最优设计新方法的研究

为了探索涵道螺旋桨动力装置工程设计新方法，在自由螺旋桨设计的基础上，根据Theodorsen的片条理论，涵道后缘的库塔条件以及边界页微元涡丝的诱导方程，构筑涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型，然后用该模型代替Prandtl的动量损失函数及环量函数，使自由螺旋桨的最小能量损失的设计方法推广到涵道螺旋桨基于Betz条件的最优设计。再根据给定的设计要求，即可计算出经过最优设计的涵道螺旋桨的基本尺寸以及涵道的基本尺寸。经过研究证明，在新方法中的涡强度分布计算模型在理论上是正确的，设计模型的风洞实验与理论计算数据基本吻合，证明了该设计方法的可行性。     

一种涵道螺旋桨性能预测的CFD方法

为适应高性能涵道螺旋浆精细化设计需求,基于雷诺平均Navier—Stokes控制方程和非结构网格旋转／静止滑移面技术,开展了涵道与螺旋桨动／静部件干扰的非定常流及性能预测数值模拟方法研究。提出了．静止与旋转域的多块网格布局策略及转／静滑移面技术,研究了涵道壁而与螺旋桨桨梢间隙的网格布局形式,有效解决了螺旋桨旋转流及螺旋...     

地效翼船用涵道螺旋桨的设计试验

以涵道螺旋桨取代开式螺旋桨,既满足了小型地效翼船起飞状态的推力需求,也在一定程度上弥补了开式螺旋桨叶尖打水的缺陷。本文建立了涵道螺旋桨桨叶的涡强度分布模型,以涵道螺旋桨的涡强度分布函数代替描述开式螺旋桨涡强度分布的Prandtl动量损失函数,将最小能量损失的设计方法推广到涵道螺旋桨的设计,从而建立了一套完整的涵道螺旋桨的工程设计方法。设计模型的风洞实验结果同理论计算基本吻合,证明了设计方法的可行性。      

函道螺旋桨设计方法研究

由于函道和螺旋桨互相干扰的复杂性,函道螺旋桨的设计需要较长时间。本文提出了一种在函道螺旋桨初步设计阶段确定桨叶外形的简便方法。首先,根据动量理论计算通过桨盘的流量,再由工程经验估算桨盘前后的压差增量,然后运用叶素理论设计桨叶的几何形状。为了验证该方法的可行性,加工了桨叶和函道,并进行风洞实验。结果表明,设计值与实验测量值吻合较好,说明该方法实用、有效,采用该方法可以加快函道螺旋桨设计过程。     

无轴涵道旋翼气动特性数值研究

采用基于非结构网格的滑移网格技术对无轴涵道旋翼与传统涵道旋翼的气动特性进行了非定常Euler方程数值模拟。分别考察了无轴涵道旋翼与传统涵道旋翼气动特性差异,中心孔径、涵道扩散角、涵道翼型对无轴涵道旋翼气动特性的影响。涵道扩散角变化范围为-6°~10°,涵道翼型选择NACA66、NACA0018及NACA4415三种翼型进行研究。研究发现:涵道翼型类型对无轴涵道旋翼的拉力分配影响较大,对称翼型能减弱旋翼上方低压涡从而涵道能产生更大的拉力；无轴涵道旋翼比传统涵道旋翼具有更优的拉力性能,转速为18 000 r/min时其总拉力是后者的1.185倍；减小无轴涵道旋翼的中心孔径能提高总拉力值,但整体耗能也将随之提高；涵道拉力占比越高的翼型,其最佳涵道扩散角越大,该状态下涵道拉力占比最高。