微型共轴双旋翼气动性能数值模拟与试验分析

为研究悬停状态下旋翼的间距对微型共轴双旋翼气动性能的影响，文中通过搭建试验平台对间距比h/r分别为0.32、0.38、0.45、0.51、0.58、0.65和0.75下的共轴双旋翼进行气动性能测试，以测量不同旋翼转速下所得共轴双旋翼的拉力和功耗对共轴双旋翼气动布局进行优化，试图找出具有最佳气动特性的共轴旋翼布局。另外，通过试验误差分析确定了相应的拉力系数、功率系数和功率载荷，且试验误差均小于2%。同时，为更直观得到不同间距下气流干扰对旋翼系统气动性能的影响，文中采用数值模拟得到了不同间距比下旋翼的流线分布和压力分布。最后，对比试验结果，综合分析旋翼间气动干扰的影响，最终得到间距比h/r为0.38时的共轴双旋翼具有最佳的气动布局。研究结果表明，悬停状态的共轴双旋翼可以通过改变间距大大提高气动性能，且同一间距下转速越大虽然旋翼间干扰越强烈，但此时开始出现耦合，使得系统的气动性能可能更好，同时，由于上下旋翼间的相互诱导，虽然转速较低时升力较小，但是功耗明显低于高转速，使得系统具有更大的功率载荷。     

共轴刚性旋翼气动干扰特性风洞试验研究

针对共轴刚性旋翼上下旋翼间复杂气动干扰问题,利用4 m直径共轴刚性旋翼缩比模型开展了悬停及前飞状态风洞试验研究。试验中,采用两套六分量天平对共轴刚性旋翼的上下旋翼进行分开测力,并测量了相同操纵量输入时的孤立单旋翼气动力。通过分析双旋翼状态下的上下旋翼与孤立单旋翼的气动力的对比结果,研究了共轴刚性旋翼在悬停及前飞状态下的气动干扰特性。在此基础上,还进行了升力偏置对气动干扰影响的试验研究。结果表明:随着旋翼前进比的增大,上下旋翼之间的气动干扰逐渐减弱,共轴刚性旋翼的非对称气动干扰会使得双旋翼升力偏置增大。     

翼型对旋翼悬停气动性能影响的CFD模拟分析

建立了一个基于高精度离散格式的旋翼悬停气动性能的N-S方程求解方法,用来精确分析翼型对旋翼气动特性的影响。为考虑细节流动对旋翼气动特性的影响,采用N-S方程描述桨叶附近的粘性流场,选用了S-A湍流模型。通量计算采用Roe-MUSCL格式的高精度算法。采用该方法首先模拟了C-T旋翼和BO-105旋翼,验证了该方法的有效性。然后,给出了一个参考旋翼,改变其旋翼翼型配置,数值模拟研究了旋翼翼型不同厚度、弯度及其变化位置、组合情况等对旋翼悬停气动特性的影响。通过对比旋翼悬停效率、桨叶升力与扭矩变化等多种计算结果,表明翼型对旋翼悬停气动性能有重要影响,并得出了一些提高旋翼气动性能的桨叶翼型设计方法。     

共轴双旋翼悬停地面效应气动特性分析

基于时间步进算法建立了适用于共轴双旋翼气动特性分析的旋翼自由尾迹模型,并采用面元法对水平和倾斜地面效应影响下共轴双旋翼系统气动特性进行了研究。在建模的过程中,采用Weissinger-L一阶升力面模型模拟了桨叶的三维效应,并充分考虑了旋翼/旋翼和旋翼/地面之间的气动干扰。通过与尾迹几何和诱导速度试验数据的对比,验证了计算模型的可行性。在此基础上,对共轴双旋翼在地面效应影响下的旋翼尾迹几何形状、流场诱导速度矢量分布和上下两旋翼桨叶的拉力系数分布进行了计算及分析。结果表明,悬停状态下,共轴双旋翼上下旋翼间存在强烈的气动干扰,且地面的影响使旋翼尾迹涡线径向扩展且向上卷起,对共轴双旋翼下旋翼拉力产生明显的影响。     

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。     

共轴双旋翼及孤立旋翼自转气动特性试验研究

为了研究旋翼自转状态下的气动特性,开展了孤立旋翼及共轴双旋翼自转气动特性试验研究.该试验设计了上/下旋翼具有不同安装形式的试验装置,可测得上、下旋翼及孤立旋翼的转速及其产生的气动力和力矩.通过风洞试验研究了共轴双旋翼以及孤立旋翼在自转状态下的气动特性,明确了旋翼转速及升力与影响参数之间的变化关系,对比分析了双旋翼上/下旋翼的相互干扰强度以及三片桨叶和两片桨叶的孤立自转旋翼气动特性,阐述了桨叶片数对旋翼稳定自转特性的影响,提出了提高直升机自转下降安全性的方法.     

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。     

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％。     

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。     

直升机旋翼干扰对尾桨气动噪声影响的数值研究

采用基于运动嵌套网格的CFD方法来模拟直升机旋翼/尾桨气动干扰流场,为旋翼/尾桨干扰噪声的计算提供准确的非定常气动力,并采用FW-H方程来计算干扰状态下的尾桨气动噪声。采用建立的计算模型,针对不同飞行状态下的尾桨噪声特性进行数值模拟,分析了旋翼尾流对尾桨气动噪声的干扰特性,并着重研究了尾桨重要的设计参数——旋转方向和垂向位置对尾桨噪声的影响规律。计算结果表明:悬停时,旋翼对尾桨的气动干扰影响会导致尾桨的噪声水平有所增加,但不会发生显著的变化;前飞时,旋翼干扰对尾桨噪声影响较大,且旋转方向和垂向位置对干扰噪声特性具有重要影响。     

基于非定常RANS方程的刚性旋翼流场分析

为了掌握刚性直升机旋翼在高速飞行条件下的关键气动特性，本文通过求解三维非定常雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)方程并基于多块结构化网格有限体积方法(Finite volume method, FVM)对直升机旋翼悬停及前飞状态的复杂绕流流场进行了数值模拟，讨论了动态流动分离、展向流动影响及反流等复杂气动特性的影响。分析了旋翼总距对气动载荷的影响及后行阶段的非定常反流效应，并分别揭示了该旋翼在悬停和大速度前飞状态下显著不同的气动力规律。数值计算表明，悬停状态该旋翼拉力值随总距线性增大，而在大前进比(Advancing ratio, AR)飞行时，其后行侧桨叶根部反流导致截面非常规压力分布，拉力主要由前行侧桨叶提供。数值预测结果与风洞试验结果的比较显示了良好的一致性。     

前飞速度和升力偏置量对共轴刚性旋翼气动特性影响分析

共轴刚性旋翼前飞状态的气动特性主要由工况环境中的来流速度、密度和桨叶的翼型配置、弦长分布和扭转分布等气动布局参数决定。气动布局参数的综合影响决定了共轴刚性旋翼的的升力偏置量。了解前飞速度和升力偏置量对前飞性能的影响规律有利于设计更适合于高速飞行的共轴刚性旋翼。因此,本文通过求解可压雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程对4 m直径的由两副2片矩形桨叶旋翼构成的共轴刚性旋翼模型的前飞流场进行了数值模拟,获得了不同前进比下的气动力并对不同升力偏置量下的旋翼性能进行了对比。数值模拟结果表明,随前进比增大,桨叶展向拉力分布更加趋于合理,拉力中心向桨叶中段移动,可以充分给桨尖卸载;旋翼升力主要由前行侧桨叶提供,升力偏置量过大容易产生激波诱导失速,不利于高速前飞。     

高速直升机方案中升力转移过程的设计和试验研究

在众多高速直升机方案中，最有发展前途的就是旋翼／机翼转换式高速直升机。目前大多数转换式高速方案都采用升力转移来解决导致直升机不能飞得更快的根本原因——旋翼相对气流分布的不对称性所造成的气流分离及激波问题，即从直升机模式由旋翼承担升力过渡列固定翼飞机模式由机翼承担升力。而升力转移过程中，升力、功率和操纵的平滑过渡则是此方案的关键。本文根据某高速直升机方案设计了其升力转移过程，并用试验对升力转移过程进行了验证。     

共轴高速直升机振动载荷计算分析模型

共轴高速直升机上下旋翼之间存在强烈的气动干扰现象,这对旋翼的气动特性影响较大。本文根据这一特点并考虑气弹耦合计算效率,利用单旋翼自由尾迹模型的尾迹几何和固定尾迹计算的初始诱导速度分布作为共轴双旋翼预定尾迹模型的初始迭代值。与Leishman-Beddoes非定常动态失速模型、Pitt-Peters动态入流模型、共轴直升机上下旋翼桨叶全本征动力学方程及弹性桨叶与变距轴承边界约束条件等计算模块相结合,建立了一种考虑上下旋翼之间气动干扰及耦合迭代的共轴双旋翼振动载荷计算模型。为验证本分析模型的计算精度,以西科斯基公司的验证机XH-59A为研究对象,与国外风洞试验结果进行了对比,两者吻合较好。     

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。     

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。