基于无人机的复杂地貌上空风场实测研究

本文研究了利用多旋翼无人机搭载风速风向测量设备对不同地貌上空平面风场实测分析的方法.以北京市延庆区某试验基地内的测风塔为参考,首先对无人机测风准确性进行研究,其次取相同时间段内测风塔与不同测点位置无人机的实测风速风向数据进行正交分解处理,分析得到无人机和测风塔风速、湍流度的相互比值关系,通过测风塔数据和比值关系,可以推...     

酒泉地区大气风场分布特征的研究分析

本文分析了2012-2021年酒泉地区大气风场垂直分布，日、月、季节及年际变化特征。根据风场特征分为新的3层结构：第1层高度是在4km以下，风速较小，基本都在2.5m/s左右，但不同季节的风向差别较大；第2层是高度在4-20km之间的大气风场，风速先随高度增加而递增后风速随高度的增加而递减，270°左右的西风为该层主导风向；第3层是在高度20km之上，风速随高度增加而递增，夏季以东风为主导风向，春季、秋季、冬季类似，随高度的增加从270°左右西风过渡到西南风。近十年，酒泉地区在高空西风急流增强和局地环流影响下，冬季的平均风速明显比过去增大，在12月/1月有高空风速的第3个极大值的存在。     

变直径旋翼直升机飞行性能研究

为了研究旋翼直径变化对直升机性能的提升作用,将旋翼动力学综合模型与机身模型相耦合,采用前飞配平方法计算稳态时旋翼操纵量和机身姿态角,从而计算直升机需用功率。通过研究直升机功率与旋翼半径、前飞速度、直升机起飞重量以及飞行高度之间的关系来确定直升机需用功率的降低幅度,同时也分析了旋翼桨距和机体倾斜角随旋翼半径和前飞速度的变化趋势。在中高速飞行时,特别是高速飞行时,旋翼半径的变化可以显著地提升直升机的性能。当飞行速度为200km/h、旋翼半径减小20%,需用功率可降低37.6%。随着飞行高度的不断增加,在低速到中速飞行时直升机功率减小幅度会减小,在高速时功率减小幅度会增大。旋翼总距和纵横向周期变距随旋翼半径减少而增加,机体纵横向倾斜角随半径减小而减小。     

悬停及前飞状态下旋翼／机身的气动力干扰

为了获得施旋翼／机身的气动力干扰概念，利用ＢＯ－１０５旋翼模型和Ｚ－９机身模型在气动中心８米×６米风洞进行了悬停及前飞实验。结果表明，旋翼与机身之间的气动力干扰，主要是旋翼下洗尾流对机身气动力的影响。悬停时，下洗尾流使机身产生负升力、俯仰力矩和偏航力矩。等拉力系数配平前飞时，由于旋翼下洗尾流的向后偏斜，对机身法向力的干扰百分比比悬停时小，对机身偏航力矩和俯仰力矩仍有影响，并产生了侧向力干扰。机身的存在，悬停时使旋翼最大气动效率提高约１％；前一以时使旋翼总距操纵量平均减小约０．４°，前飞需用功率平均减小约１．３％。     

复杂群山环境下某桥址的风场特性

通过地貌模型风洞试验研究复杂群山情况下某桥址的风场特性,分析平均风速、风攻角、湍流强度、湍流积分尺度等随风向角和测点位置的变化特性,获得了复杂群山环境下典型位置测点脉动风速功率谱的变化情况。研究表明:复杂群山环境下,桥址的平均风速均小于梯度风高度的风速;爬坡效应使得顺山谷方向来流（顺风向,即风从谷口吹入）产生显著的正攻角,最大值为+35.3°;顺风向时,桥址各测点的纵向湍流强度和横向湍流强度达到最小,约为10%,其他风向下的湍流强度较大;顺风向时,桥址的湍流积分尺度较大,且随测点高度上升而增大,桥址各测点功率谱较来流功率谱发生明显变化,功率谱高频段能量显著增大、单峰特征降低。     

自贡机场地面风场特征分析

利用自贡机场2018～2019年自动气象站地面风资料，对风场变化特征进行分析总结。结果表明：机场主要受偏北风、偏西南风影响，偏北风频率较高，较大风速出现在春夏季，静风及风向不定频率较高；午后至傍晚风速较大，夜间至清晨风速较小；全年平均风速较小，差异不明显。     

悬停状态直升机剪刀式旋翼的试验研究

为了研究剪刀式旋翼的气动特性 ,在 2m直升机旋翼模型试验台上进行了试验研究。试验中采用了新研制的高精度旋翼天平和扭矩天平测量系统以及动态数据采集和处理系统 ,以确保试验结果的可靠性。作为对比 ,笔者首先针对普通尾桨进行了试验 ,给出了旋翼拉力和扭矩随总距角变化的试验结果。然后 ,着重进行了剪刀式旋翼的试验 ,测量了旋翼的拉力和扭矩随不同的剪刀角的变化 ,并对不同旋翼间距对旋翼拉力和扭矩的影响进行了对比。结果表明 ,剪刀式旋翼的剪刀角和旋翼间距影响尾桨拉力大小 ,但对扭矩的影响不大。     

直升机机身对旋翼气动干扰的计算

建立了一个全耦合的机身对旋翼气动干扰的迭代计算方法。在该方法中，使用自由涡系模型代表旋翼对干扰流场的影响，使用三维面元模型替代机身的作用，并采用了一个基于“分析数值解匹配”方法的贴近涡／面干扰模型以改进机身引起尾迹畸变的计算。应用该分析方法，以Maryland大学4片桨叶的模型旋翼和机身为算例，计算了悬停和前飞状态机身对旋翼的气动干扰影响。计算结果表明，机身对旋翼气动干扰在悬停和前飞时是不同的，且从悬停至前飞，机身对旋翼平面某方位的诱导速度存在一个从上洗至下洗的过渡。     

无人旋翼机旋翼气动分析与试验研究

为支撑某无人旋翼机方案设计,采用叶素理论和动态入流建立旋翼气动模型,进行旋翼参数分析。评估了旋翼半径和总距对旋翼拉力及轴倾角的影响,得到旋翼拉力和操纵规律。在大尺寸低速风洞开展无人旋翼机的试验研究,对独立机身、机身+旋翼组合体进行吹风,得到了不同风速及迎角下机身和旋翼的升力与阻力,并与计算结果进行对比,从而验证计算方法的有效性。通过旋翼气动计算与试验结果分析,研究了旋翼气动特性与设计参数、飞行状态及轴倾角操纵之间关系。最后提出了旋翼拉力与飞行速度和轴倾角的关系公式。     

前飞状态旋翼尾迹测量试验研究

利用PIV技术,测量前飞状态旋翼尾迹的横向速度分布及桨尖涡在横向剖面里的运动轨迹,得到了前飞状态旋翼两侧的尾迹边界及桨尖涡在运动过程中的耗散特性等,研究了风速及拉力系数对前飞状态旋翼尾迹和桨尖涡运动轨迹的影响.结果表明:前飞状态下,旋翼左右两侧尾迹的涡量值基本相当.旋翼尾迹沿径向急剧收缩,沿垂向逐渐下降,下降高度与流向距离几乎呈线性关系.风速、拉力系数的变化对桨尖涡及其运动轨迹有显著的影响.获得的测量结果为开展旋翼流动机理研究及提高CFD分析精度提供了试验依据.     

分离式共轴刚性旋翼风洞试验技术研究

为在■3.2 m风洞开展高速直升机共轴刚性旋翼风洞试验,中国空气动力研究与发展中心(China Aerodynamic Research and Development Center,CARDC)开展了分离式共轴刚性旋翼风洞试验关键技术研究。解决了双旋翼共轴反向驱动、双旋翼联动和差动变距操纵、旋翼气动力分离测量、旋翼间距调整等关键技术问题,研制了■2 m直径共轴刚性旋翼试验台和旋翼天平、旋翼操纵系统,实现了旋翼共轴等速反向旋转、双旋翼联动和差动变距操纵、旋翼升力偏置调整、旋翼气动力孤立测量、旋翼间距调整等功能。通过开展风洞试验,验证了该试验技术,表明试验技术具有技术成熟度高、数据重复性精度高、可调节参数多的优点。     

阵风发生装置流场测量与分析

以小型阵风发生装置为研究对象,采用二维热线风速仪,测量了不同工况下的阵风装置流场参数,给出了二维热线仪测量方案和在线角度修正方法,以及阵风幅值和波形稳定性计算方法。结果表明:采用风洞在线角度修正,可以提高二维热线的犢向测量精度和测试效率;采用波形相位分析方法,可以满足阵风发生器产生的周期性波形的幅值和流场脉动量分析;阵风幅值与4~15Hz 的叶栅摆动频率、8°~30°的叶栅摆动角度、50~100mm 的叶栅弦长成正比关系;阵风波形的不稳定性(等相位速度脉动量)与叶栅摆动角度、来流速度有一定的线性关系,在本试验范围内随叶栅摆动角度、来流速度的增加而增加,同时,适当的叶栅摆动频率可以降低叶栅的波形不稳定性。研究结论对阵风发生装置研制及其流场测量具有一定的参考意义。     

多机起降旋翼间气动干扰数值模拟研究

以多架直升机近距离起降为研究背景,采用基于运动嵌套网格技术的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法开展旋翼间的气动干扰研究,重点分析了旋翼间距和环境风速对旋翼升力系数和扭矩系数的影响。数值分析结果表明,旋翼之间的气动干扰对上风位置旋翼的影响较小,但会导致下风位置旋翼的升力系数降低,扭矩系数增加,且其影响随着旋翼间距的增加而降低,随着环境风速的增加而增加。     

武装直升机雷达散射截面计算及雷达吸波材料影响分析

为提高直升机雷达散射特性预估的准确性,建立了目标雷达散射特性分析的计算电磁学(Computational electromagnetics method,CEM)方法,并开展了吸波涂层对直升机雷达散射截面(Radar cross section,RCS)特性影响的研究。首先,对复杂目标(例如直升机)进行几何建模和网格划分,获得空间网格单元上的电磁场信息,作为整个电磁场仿真分析的计算基础。然后,通过介质球和涂覆电磁介质导体球的算例对比,分析结合共形技术的时域有限差分法(Finite difference time domain,FDTD)在处理介质物体及涂覆涂层介质物体的有效性,结果表明FDTD方法计算结果与级数解吻合。在此基础上,计算和对比了金属旋翼以及涂覆吸波涂层旋翼的RCS特性,分析了典型方位角入射下全机涂覆前后对RCS特性的影响。研究表明:旋翼表面全涂覆雷达吸波材料(Radar absorbing material,RAM)后对直升机旋翼的RCS抑制效果明显,在全机强散射部位涂覆RAM可以显著地降低RCS特性,涂层的使用在直升机的隐身设计中起到关键的作用。     

倾转四旋翼UAV过渡状态下旋翼/机身气动干扰数值分析

通过数值模拟的方法对十字构型倾转四旋翼UAV在倾转过渡状态下前旋翼/机身/后旋翼间的气动干扰进行了计算与分析。分别建立了孤立前旋翼、前后旋翼、前旋翼-机身、前后旋翼-机身组合时的计算模型。在不同旋翼倾转角下,研究了以上组合模型对前旋翼、后旋翼以及机身的气动力和力矩的影响并分析了相互间的气动干扰情况,得出了前旋翼是整机气动干扰影响的主导因素,揭示了旋翼/机身间气动干扰形成的原因,为该构型旋翼布置与控制系统的设计提供参考。     

基于自由涡尾迹法和面元法全耦合风力机气动特性计算

风力机气动特性主要由叶片贡献,但是处在流场下游的机身(包括机舱和塔架)对其也会产生影响。基于自由涡尾迹方法与面元法,得到了一个较为完备的风力机叶片与机身气动干扰的迭代计算方法。在该方法中,叶片用位于1/4弦线的一根升力涡线代替,结合叶片尾缘拖出的涡线建立自由涡尾迹模型,机身绕流模拟采用了一阶面元方法,将自由涡尾迹方法和面元法耦合模拟风力机主要气动特性。最后用该分析方法计算了NREL phaseVI风力机的气动特性,与实验结果进行比较和分析,验证了全耦合模型的有效性。     

考虑平稳风修正和塔架干扰的风力机叶片3-D风场模拟

为准确模拟风力机纵向、横向和垂直向的3-D随机风场,以南京航空航天大学自主研发的NH1500风力机为例,首先采用考虑沿高度变化的指数模型、塔影效应影响的潜流模型和上游风机尾流影响的涡流粘度模型对平稳风进行修正。然后基于空间变化的改进Von Karman风谱模型,结合谐波叠加法模拟风力机的来流脉动风速时程,再利用改进的叶素-动量理论获得考虑叶片旋转效应和塔架-叶片相干效应的风力机纵向、横向和垂直向3-D随机风场。该方法充分考虑风力机风场模拟的外界干扰因素和自身特性,提高了风力机系统风场模拟的准确度。算例分析表明,本文方法可以准确地模拟给定风环境的风力机系统3-D风场。     

高速列车气动阻力地板效应数值研究

针对CRH2型动车组外形，在2种1∶25缩比模型风洞试验基础上，展开基于数值模拟的明线情况高速列车不同地板试验条件阻力测量影响研究。通过与风洞试验结果对比，确定数值方法的可靠性；通过数值模拟风洞壁地板、固定地板、移动地板下高速列车流场分布与阻力变化情况表明，不同试验地板的地面效应对高速列车阻力测量结果影响很大，移动地板模拟效果最佳，固定地板与风洞壁地板阻力测量值小于移动地板情况，且差距随车身长度的增加而增加，很难模拟真实列车运行的流场；通过深入分析不同地板条件的影响机理，为高速列车不同地板条件风洞阻力测量结果提供参考意见。