微型旋翼气动特性分析方法与实验研究

论文摘要

因微型旋翼飞行器具有特殊的飞行性能和潜在的应用背景,正越来越受到各国军方和民用部门及科研人员的重视。然而,由于尺寸、重量、续航时间等条件严格的限制,微型旋翼飞行器的发展面临着许多技术难题,其中微型旋翼的空气动力学其最为根本的技术瓶颈之一,也是当前受到广泛关注的热点之一。微型旋翼作为微型旋翼飞行器的升力面及操纵面,其气动特性直接影响飞行器的性能、操纵性及效率,准确预测微型旋翼的气动特性具有十分重要的意义。本文使用了实验、理论计算,CFD模拟技术等方法对微型旋翼翼型及桨叶在低雷诺数下的空气动力学特性进行系统性研究,建立了一套计算、分析微型旋翼气动特性的研究分析方法。翼型低雷诺数气动特性的计算是微型旋翼气动特性计算的基础,本文首先建立了翼型的低雷诺数气动特性计算的CFD方法,对翼型在低雷诺数环境下的气动特性进行了计算分析,并对适用于微型旋翼应用的薄圆弧翼型的几何特性对气动特性的影响做了分析比较。接着,利用动量-叶素理论方法,结合低雷诺数下微型旋翼桨叶翼型气动特性,建立了微型旋翼悬停状态下的气动特性计算方法。然后研制了相应的微型旋翼悬停性能实验设备,对微型旋翼悬停状态下的气动特性进行了测定,完成了计算方法的实验验证。最后,使用了CFD技术对微型旋翼悬停的三维流场进行了模拟。通过计算结果与实验结果的对比,验证结果证明本文的微型旋翼气动特性计算模型是可靠的。本文建立的微型旋翼气动特性的分析方法的方法简单,精度较高,便于工程应用,为后续的高效的微型旋翼的设计工作提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微型旋翼气动特性分析的研究现状
• 1.2.1 微型旋翼翼型的低雷诺数气动特性研究
• 1.2.2 微型旋翼气动特性研究
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 低雷诺数翼型空气动力特性计算分析研究
• 2.1 计算方法及验证
• 2.1.1 数值计算方法
• 2.1.2 计算验证
• 2.2 雷诺数对翼型空气动力特性的影响
• 2.3 对圆弧翼型的几何参数研究
• 2.3.1 翼型厚度对低雷诺数空气动力特性的影响
• 2.3.2 翼型的弯度对低雷诺数空气动力特性的影响
• 2.3.3 翼型的前缘形状对其低雷诺数空气动力特性的影响
• 2.4 小结
• 第三章 微型旋翼气动特性理论计算
• 3.1 常用旋翼气动特性计算方法
• 3.2 动量-叶素理论方法计算模型
• 3.3 计算程序流程
• 3.4 计算结果
• 3.4.1 计算桨叶参数
• 3.4.2 计算结果
• 3.5 桨叶平面几何形状对微型旋翼气动特性的影响分析
• 3.6 小结
• 第四章 微型旋翼气动特性的实验研究
• 4.1 微型旋翼实验装置的研制
• 4.2 微型旋翼实验台的关键技术
• 4.3 拉力和扭矩的测量
• 4.4 实验结果与计算结果比较
• 4.5 微型旋翼气动特性实验比较分析
• 4.6 小结
• 第五章 微型旋翼悬停流场的数值模拟
• 5.1 数值计算方法
• 5.1.1 控制方程
• 5.1.2 湍流模型
• 5.1.3 空间离散
• 5.1.4 时间离散
• 5.2 运动嵌套网格系统
• 5.2.1 洞边界
• 5.2.2 流场信息传递
• 5.3 算例验证
• 5.4 微型旋翼桨叶流场的模拟
• 5.4.1 计算桨叶模型
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 后续工作的设想
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文