纵列式直升机双旋翼气动干扰特性的理论与试验研究

论文摘要

本文建立了一套适合于悬停和前飞状态纵列式直升机双旋翼气动干扰特性计算的自由尾迹分析方法。利用该方法针对纵列式双旋翼和传统单旋翼的尾迹和气动特性进行了计算和分析。同时,使用模型旋翼台和风洞开展了纵列式直升机双旋翼气动干扰的试验研究。主要工作如下:作为前提和背景,本文首先对直升机旋翼自由尾迹方法研究、纵列式双旋翼气动干扰特性理论和试验研究的国内外现状进行了概述和分析,指出了现有研究中存在的不足,提出了本文拟采用的研究方法和研究内容。在第二章,针对纵列式双旋翼涡尾迹主控方程的特点,引入了直线法将涡线偏微分方程转换成常微分方程再行求解,以有效提高数值稳定性。基于直线法,推导建立了一个新的用于求解旋翼尾迹涡线主控方程的数值算法。论文的第三章,将旋翼自由尾迹模型、桨叶气动力模型、桨叶挥舞运动模型以及双旋翼配平模型进行耦合求解,并计入桨叶气流分离和压缩性的影响以及考虑大迎角时的气动力修正,发展了一套用于纵列式双旋翼气动干扰特性计算的迭代模型。然后,进行了悬停和前飞状态单旋翼和双旋翼的诱导速度、桨叶载荷和旋翼性能的算例计算,并与可得到的试验结果进行对比,验证了本文计算方法和程序的有效性。第四章基于本文建立的模型和方法,计算了悬停和前飞状态纵列式双旋翼的尾迹结构、诱导速度分布及旋翼流场特性,着重讨论了纵列式双旋翼重叠区域和非重叠区域的尾迹和流场的不同特点。在此基础上,得出了一些新的结论。在第五章,对悬停和前飞状态下纵列式双旋翼及单旋翼的桨叶气动载荷及旋翼性能进行了计算对比分析。定义了双旋翼拉力和功率干扰系数以及双旋翼附加功率因子,并以此为参数,较系统地研究了悬停和前飞状态双旋翼不同结构布局时的旋翼性能变化规律。得出了对纵列式双旋翼直升机结构布局设计有指导意义的结果。本文第六章基于PIV技术,着重对纵列式模型双旋翼干扰状态下的后旋翼桨尖涡位移、涡核耗散特性、尾迹边界进行了试验研究。通过改变前后旋翼的水平和轴向间距、调整两旋翼之间的重叠区域大小研究了旋翼之间的相互干扰及对桨尖涡特性的影响。同时,还对比研究了单旋翼和双旋翼不同总距时旋翼桨尖涡涡核半径随涡龄角的变化规律。并将涡尾迹边界试验结果与本文算例的计算结果进行了比较。第七章在南京航空航天大学重点实验室风洞中以及自行改装的纵列式双旋翼模型旋翼台上,针对悬停和前飞状态下的纵列式双旋翼流场速度特性和旋翼性能开展了试验研究。给出了纵列式双旋翼和单旋翼情况时的平均速度场、瞬态速度场及涡量分布的结果,以及纵列式旋翼性能随不同结构布局参数的变化。同时,应用先前章节发展的计算方法,针对所进行的单旋翼和双旋翼典型试验状态时的旋翼流场、旋翼性能进行了计算,并与试验结果进行了对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 旋翼自由尾迹方法的研究
• 1.2.2 纵列式直升机双旋翼气动干扰特性的研究
• 1.3 本文的主要结构和研究内容
• 第二章 基于直线法的涡尾迹数值算法分析
• 2.1 引言
• 2.2 直线法（MOL）概述
• 2.3 旋翼尾迹涡线主控方程的离散格式
• 2.3.1 典型的PCC 离散格式
• 2.3.2 用于直线法的新的空间离散格式推导
• 2.4 旋翼涡线方程差分格式的特征值分析
• 2.4.1 一般ODE 的特征值分析方法
• 2.4.2 两点中心差分格式
• 2.4.3 四点中心差分格式
• 2.4.4 一阶逆风格式
• 2.4.5 三点二阶逆风格式
• 2.4.6 五点四阶逆风格式
• 2.5 旋翼尾迹涡线常微分方程的求解方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 纵列式直升机双旋翼气动干扰特性计算方法建模
• 3.1 引言
• 3.2 纵列式双旋翼自由尾迹模型
• 3.2.1 纵列式双旋翼坐标定义及转换
• 3.2.2 基于直线法的主控方程求解
• 3.2.3 涡元诱导速度计算及涡核模型
• 3.2.4 桨叶环量的求解
• 3.3 旋翼桨叶气动力模型
• 3.3.1 桨叶翼型气动力模型
• 3.3.2 气流分离及压缩性修正
• 3.4 桨叶挥舞动力学模型
• 3.5 纵列式双旋翼配平模型
• 3.6 组合模型及计算流程图
• 3.7 计算方法的验证
• 3.7.1 旋翼诱导速度
• 3.7.2 桨叶气动载荷
• 3.7.3 纵列式双旋翼和单旋翼性能
• 3.8 本章小结
• 第四章 纵列式双旋翼尾迹及流场特性的计算与分析
• 4.1 引言
• 4.2 纵列式双旋翼尾迹结构及其边界
• 4.3 纵列式双旋翼流场特性分析
• 4.3.1 诱导速度分布
• 4.3.1.1 旋翼桨盘入流分布
• 4.3.1.2 旋翼下方流场速度分布
• 4.3.2 非定常诱导速度
• 4.3.2.1 桨叶上的不同径向位置点
• 4.3.2.2 空间固定点
• 4.4 本章小结
• 第五章 纵列式双旋翼气动特性计算及参数影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 纵列式双旋翼桨叶气动载荷计算与分析
• 5.2.1 悬停状态（μ=0）
• 5.2.2 小速度前飞状态（μ=0.1）
• 5.2.3 大速度前飞状态（μ=0.3）
• 5.3 纵列式双旋翼及单旋翼配平分析
• 5.4 纵列式双旋翼性能计算及参数影响分析
• 5.4.1 旋翼性能计算及相关参数的影响
• 5.4.2 双旋翼结构布局参数对性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于 PIV 的纵列式直升机双旋翼尾迹试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 纵列式双旋翼气动干扰试验设备及旋翼模型
• 6.2.1 旋翼试验台及风洞
• 6.2.2 旋翼模型
• 6.2.3 旋翼气动力测量系统
• 6.2.4 旋翼流场PIV 测量系统
• 6.2.5 烟流发生器及其示踪粒子
• 6.3 试验方法及测量状态
• 6.4 旋翼尾迹试验及分析
• 6.4.1 旋翼瞬态桨尖涡测量
• 6.4.1.1 悬停状态瞬态烟流图
• 6.4.1.2 前飞状态瞬态烟流图
• 6.4.2 旋翼尾迹边界
• 6.4.2.1 悬停状态尾迹边界
• 6.4.2.2 前飞状态尾迹边界
• 6.5 涡的耗散与涡核增长
• 6.6 纵列式双旋翼尾迹边界计算与试验的对比
• 6.7 本章小结
• 第七章 纵列式双旋翼流场及性能试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 旋翼速度场及涡量分布测量试验
• 7.2.1 旋翼平均速度场
• 7.2.2 旋翼瞬态速度场及涡量分布
• 7.3 旋翼气动性能测量试验
• 7.3.1 悬停状态旋翼性能试验
• 7.3.2 前飞状态旋翼性能试验
• 7.4 旋翼流场和性能的试验结果与计算对比
• 7.4.1 纵列式双旋翼流场对比分析
• 7.4.2 纵列式旋翼性能对比分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 研究工作总结及展望
• 8.1 本文研究工作的总结
• 8.2 本文的创新工作
• 8.3 进一步的研究工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文