升力偏置对ABC旋翼气动性能的影响

采用共轴刚性旋翼的高速直升机是未来旋翼飞行器的发展方向之一,其本质特点即前行侧桨叶会产生升力偏置。为了研究旋翼升力偏置量对刚性旋翼性能的影响,采用自由尾迹方法对采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的刚性旋翼在不同升力偏置状态下的气动特性进行了计算。通过对计算结果的分析,得到旋翼升力分布、升阻比、阻力特性和功率特性等随升力偏置的变化规律。文中还对前进比μ=0.2,0.4,0.5的计算结果进行了对比分析。结果表明,旋翼升力偏置量的改变能够显著改变旋翼桨盘的升力分布,进而对旋翼气动性能产生重要影响。不同的前进比下,产生旋翼最大前飞升阻比的升力偏置量也会有所不同,μ=0.2时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为20%左右;μ=0.4时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为25%左右,μ=0.5时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为30%左右。     

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。     

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。     

旋翼/涵道/风扇升力系统的前飞气动特性

旋翼/涵道/风扇组合构成的升力系统,是一种结构紧凑、新颖、操纵较简易的垂直起降飞行器的升力系统。由于旋翼和风扇、旋翼和涵道、风扇和涵道之间等存在相互气动干扰,尤其是在前飞状态下,涵道风扇同时受到旋翼尾流和前方来流的共同作用,流场十分复杂,给该升力系统气动力的分析与预估带来很大困难。本文提出了一种确定旋翼/涵道/风扇组合升力系统气动力的理论分析方法,并通过理论与实验结果的比较,验证本文所述理论方法的有效性。     

微型旋翼悬停状态气动性能分析方法研究

为了了解微型直升机工作时相关的气动知识,建立了一套微型旋翼悬停状态气动性能分析方法.该方法包含了低雷诺数下微型旋翼桨叶翼型的二维气动特性分析的CFD技术和旋翼气动特性分析的动量/叶素理论.对影响微型旋翼悬停性能的因素做了初步分析,合适的翼型弯曲、桨叶尖削等,有助于提高微型旋翼的最大悬停效率.文中还对分析的部分结果进行了试验验证.     

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...     

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。     

大雨对飞机气动性能的影响

大雨是影响飞行安全的重要天气因素,进场着陆的飞机由于遭遇暴雨而失控坠毁的事故经常发生。为此国外自８０年代起开展了模拟降雨环境下的风洞实验研究以确定大雨对飞机气动性能的影响。本文主要介绍国外在此领域进行的研究工作以及中国民航飞行学院在此方面的研究计划。     

桨尖后掠对旋翼流场和气动特性的影响

推导了后掠桨尖剖面法向马赫数和等效迎角与矩形桨尖的关系,指出前飞状态下旋翼后掠桨尖上的法向来流并不一定总比矩形桨叶小的新结论,进一步得出了在后掠桨尖上出现较大法向来流马赫数的解析区间,并给出了克服这种情况出现的解决办法;提出了保持前缘法向来流速度为常数的桨尖设计方案。然后,采用CFD方法,针对后掠新型桨尖旋翼的悬停和前飞跨声速流场进行了数值模拟,并结合理论分析的结果,深入地分析了桨叶后掠对旋翼流场、气动特性的影响,得出了后掠桨尖流场的细节特征,尤其是桨尖附近的激波位置、范围和强度的变化规律。     

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。     

旋翼非定常气动载荷及瞬态气动响应计算

建立了一个用于定常和机动飞行状态下旋翼非定常气动特性计算的数值方法。该方法在时间步进自由尾迹方法的基础上,采用4阶精度的Adams-Bashforth-Moulton预测校正多步法对离散的旋翼尾迹进行求解,耦合了桨叶挥舞运动模型、旋翼配平模型,并采用Beddoes非定常气动模型来模拟桨叶的压缩、气流分离效应。应用该方法,开展了不同状态下旋翼非定常载荷及总距突增时的旋翼瞬态气动响应的计算,并结合试验结果进行了对比分析。结果表明,本文建立的方法不仅可以准确地求解定常飞行时旋翼的非定常气动载荷,捕捉其沿方位角的变化特征,并且也可以准确模拟总距突增时,旋翼的过冲、迟滞等瞬态气动响应过程。     

旋翼非定常气动载荷实验研究

对在4m直径旋翼／机身组合模型试验台上进行的非定常气动载荷试验结果进行了分析，试验完成了总距、周期变距突增对拉力和力矩的影响。本文还对试验结果和理论计算结果进行了对比分析，给出了分析结论。     

共轴刚性旋翼气动外形优化设计

采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的共轴刚性旋翼构型的直升机具有高速前飞的能力,然而大前飞速度带来的强桨尖压缩性等影响对桨叶气动外形提出了更高的要求。鉴于此,本文针对共轴刚性旋翼的气动布局进行了优化设计,通过改进桨叶平面外形提升旋翼前飞性能。基于雷诺平均NS(Reynold-saveraged Navier-Stokes,RANS)方程对共轴旋翼流场进行了气动性能数值模拟,在此基础上建立了代理模型结合遗传算法(Genetic algorithm,GA)的高效共轴旋翼气动布局优化方法,以前飞升阻比为目标函数进行优化,得到约束外形下的具有非线性弦长分布、尖削及后掠特征的桨叶外形。试验结果表明优化桨叶相比基准矩形桨叶升阻比得到明显的提升(前进比为0.6状态下升阻比提升约30%),证明了优化的有效性。     

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.     

雷诺数对粗糙表面翼型气动性能的影响

采用Spalart-Allmaras湍流模型研究风力机专用翼型DU00-W-212的气动性能。在雷诺数小范围变化的情况下,应用数值模拟的方法对粗糙翼型和光滑翼型的气动特性进行对比。探讨雷诺数小范围变化对粗糙翼型气动特性的影响,并分析升阻力的变化机理。比较升阻力曲线,发现粗糙度对升力系数影响最大的区域在迎角10°附近。小迎角的情况下,前缘粗糙度会使得翼型的升力系数下降,阻力系数反而上升。在大迎角失速的情况下,粗糙翼型的阻力系数反而小于光滑翼型的阻力系数。为了增加叶片适应恶劣沙尘环境的能力,在叶片设计和翼型排布的过程中应该尽量避开升力系数最大的迎角处。     

高速列车车顶–升力翼组合体气动特性

高速列车升力翼通过气动增升实现车体等效减重,为高速列车节能降耗提供了新思路。升力翼气动性能直接影响等效减重效果,研究车顶–升力翼组合体在不同工况下的气动特性对列车升力翼设计具有重要意义。采用计算流体力学方法和k–ε模型进行数值仿真研究,分析了车–翼连接杆对升力翼气动特性的影响,研究了升力翼飞高、来流速度、迎角等设计参数对升力翼气动特性的影响规律。研究结果表明：采用NACA0012翼型剖面的车–翼连接杆对升力翼升力和阻力的影响不超过3.7%;在车顶模型前缘引起的高速气流影响下,随着升力翼飞高增大,冲击升力翼的气流速度减小,升力有减小的趋势,在3倍弦长飞高范围内,不同飞高升力翼的升力差值最大不超过3%;当来流速度增大至90 m/s以上时,升力翼的升力系数和阻力系数分别稳定在1.62和0.61附近;在0°～22°迎角范围内,升力翼升力系数不断增大,迎角大于22°后,升力翼升力系数减小。     

直升机旋翼气动载荷计算与分析

本文内容:(1) 将资料中计算旋翼挥午面内气动载荷的公式进行修改,推广到也可以用来计算中心铰旋翼(或桨叶发生某阶挥午面弯曲共振的情况);(2)介绍所设计的包括平衡计算以及载荷、应力等计算在内的整个计算程序框图;(3)讨论本载荷计算方法中网格的划分。     

旋翼/机身气动干扰的神经网络模型

依据直升机空气动力学理论建立起来的旋翼／机身气动干扰模型,至今尚不能达到满意的准确度,而且它的计算工作量相当大。文中采用多层前向通道神经网络建立旋翼／机身气动干扰模型,探索一种新的建模方法。在试验结果的基础上,对机身的空气动力随前进比和桨盘载荷变化情况进行了分析,然后提出了一个二输入／三输出的旋翼／机身气动干扰神经网络模型。网络训练样本直接来源于试验数据。训练好的干扰模型清楚地反映了机身阻力与前进     

旋翼自转状态在高速直升机升力转移过程中的应用

近年来高速直升机的方案日新月异、屈出不穷。但无论是哪一种方案都要解决导致直升机不能飞得更快的根本原因--气流分布的不对称性所造成的气流分离及激波问题。目前大多数高速方案都采用升力转移来解决这一问题，即从直升机模式由旋翼承担升力过渡到固定翼飞机模式由机翼承担升图示 。本文利用自转状态在相同临界迎角下可以承担更多升力的特点，提出将自转引入升力转移的过程中，并建立了速度与桨盘迎角的关系，研究了从正常直升机模态进入自转状态时的进入速度与桨盘迎角。通过算例说明将自转状态作为升力转移的过渡状态，可以达到减小机翼面积，从而降低机体重量，减小阻力的目的，并证明自转状态应用于升力转移过程中是实际可行的良好方案。     

旋翼悬停性能的Re数影响研究

为了解决由旋翼模型风洞试验数据预估全尺寸旋翼性能的问题,开展了旋翼模型悬停性能试验数据的Re数影响及修正方法研究.采用3种旋翼的不同尺寸的模型进行了对比试验,通过试验结果的分析,研究了胁数对旋翼悬停效率的影响规律;按照旋翼理论的有关公式和定义,参考粘性流体力学的研究结果,推导了对悬停效率进行Re数效应修正的公式;利用推导的公式,对模型试验结果的悬停效率进行了修正计算和比较.对比试验结果表明,Re数较小的旋翼模型的悬停效率相对较低;修正计算结果表明,利用笔者推导的修正公式,可以对旋翼模型试验的悬停效率进行合理的Re数影响修正.