下载文档原格式
《直升机空气动力学》南京航空航天大学“直升机空气动力学”课程组学时数：43几点要求：❑上课认真做笔记❑课后认真看书❑作业认真完成教材：❑王适存主编，《直升机空气动力学》，航空专业教材编审组出版，1985参考文献：❑[美]R.普劳蒂著，高正等译，《直升机性能及稳定性和操纵性》，航空工业出版社，1990年❑W.Z. Stepniewski and C. N. Keys, Rotary-Wing Aerodynamics, Dover Publications,Inc.，1981绪论南京航空航天大学《直升机空气动力学》课程组©本课程性质描述直升机（主要是它的旋翼）与周围空气相互作用的空气动力现象、阐明空气动力分析的理论、研究直升机不同飞行状态下的流场和气动载荷、估算直升机飞行性能、进行直升机尤其是旋翼气动设计的一门科学。
本章内容1.本课程基本内容；2.旋翼的功用和直升机的飞行特点；3.旋翼的基本参数；4.旋翼参数无因次化。
一. 本课程基本内容1.直升机研制的主要环节2.空气动力学在直升机技术中的地位❑气动在直升机研制中占重要地位❑总体设计、部件设计、气动载荷计算、性能计算、飞行品质分析、流场分析、噪声分析、气动试验等许多工作均与气动相关。
3.本课程的基本内容❑旋翼气动理论❑气动性能分析❑流场和气动载荷分析❑试验技术二. 旋翼的功用和直升机的飞行特点旋翼是直升机的关键部件构造：数片桨叶＋桨毂桨毂：连接旋翼轴和桨叶，可铰接的或固接的桨叶：2-7片1. 旋翼的功用✓产生拉力——克服重量✓产生向前的水平分力——使直升机前进✓产生其他分力和力矩——使直升机保持平衡或进行机动飞行2. 直升机分类按构造型式分类❑单旋翼式❑共轴双旋翼式❑纵列双旋翼式❑横列双旋翼式倾转双旋翼式单旋翼式——尾桨平衡旋翼反扭矩S-92共轴双旋翼式Coaxial纵列双旋翼式Tandam倾转双旋翼式Tiltrotor3. 直升机的飞行特点旋翼的运动（以垂直飞行为例）：旋翼一面绕自身的旋翼轴旋转，一面随直升机一起向上运动。
现代直升机旋翼空气动力学•目录：•第1章绪论1.1空气动力学的内容1.1.1定义1.1.2研究问题的类型1.2空气动力学的研究工具1.2.1解析工具1.2.2计算工具1.2.3实验工具1.3直升机概况1.3.1发展简述1.3.2直升机分类1.4直升机空气动力学发展概况1.4.1经典空气动力学理论1.4.2基于CFD技术的旋翼流场模拟1.4.3旋翼计算声学简介1.4.4旋翼/机身等多部件的气动干扰简介1.5旋翼基本参数介绍参考文献第2章旋翼动量理论2.1引言2.2垂直飞行时的动量理论2.2.1垂直上升状态2.2.2悬停状态2.2.3垂直下降状态2.2.4诱导速度普遍规律2.3前飞时的动量理论2.3.1平飞状态2.3.2爬升和下滑状态2.3.3诱导速度普遍规律参考文献第3章旋翼叶素理论3.1引言3.2桨叶翼型3.2.1桨叶翼型几何参数3.2.2桨叶翼型空气动力学特性3.2.3桨叶翼型设计3.3垂直飞行时的叶素理论3.3.1旋翼拉力和功率的微分形式3.3.2旋翼拉力和功率的积分形式3.3.3旋翼拉力的近似解析式3.3.4旋翼功率的近似解析式3.3.5完善系数3.4基于叶素-环量理论的拉力系数3.5基于叶素-动量组合理论的拉力系数3.6前飞时的叶素理论3.6.1旋翼拉力和功率的积分形式3.6.2旋翼拉力和功率的近似解析式3.6.3旋翼功率的一般表达式参考文献第4章旋翼涡流理论4.1引言4.2基本概念4.2.1Kelvin定理4.2.2Helmholtz定律4.2.3Biot-Savart定律4.2.4涡与环量4.3垂直飞行时的涡流理论4.3.1儒氏旋翼涡系模型4.3.2儒氏旋翼诱导速度4.3.3非儒氏旋翼涡系模型4.3.4非儒氏旋翼诱导速度4.4前飞时的涡流理论4.4.1旋翼涡系模型4.4.2旋翼诱导速度4.4.3桨叶附着涡环量的求解参考文献第5章旋翼自由尾流分析技术5.1引言5.2涡动力学基础5.3自由涡系模型5.3.1旋翼桨叶涡系模型5.3.2旋翼尾迹模型5.3.3旋翼桨尖涡模型5.3.4涡核扩散模型5.4桨叶附着涡环量求解5.5远尾迹涡丝控制方程5.6远尾迹涡丝控制方程的求解5.6.1远尾迹周期边界条件5.6.2PIPC松弛迭代法求解过程5.7自由尾迹/面元法的耦合模型算例5.7.1求解方法5.7.2涡/面干扰5.7.3算例分析参考文献第6章旋翼CFD理论基础知识6.1引言6.2适合旋翼的流体力学控制方程组6.2.1连续性方程6.2.2动量方程6.2.3能量方程6.2.4控制方程的选择形式6.3控制方程的离散化6.3.1有限差分法（FDM）6.3.2有限体积法（FVM）6.4网格生成简介6.4.1椭圆网格生成实例6.4.2多区重叠网格（嵌套网格）简介6.5结论参考文献第7章旋翼N-S方程SIMPLE数值模拟方法7.1引言7.2SIMPLE算法7.2.1交错网格技术7.2.2SIMPLE算法基本假设7.2.3SIMPLE算法基本步骤7.2.4SIMPLE算法的简单算例7.3SIMPLER算法简介7.4代数方程组的求解7.5前飞旋翼湍流场的数值模拟算例7.5.1流场控制方程7.5.2动量源项7.5.3算例方案描述7.5.4前飞流场分析7.5.5前飞性能预测7.6垂直下降旋翼湍流场的数值模拟算例7.6.1桨盘压差源项计算7.6.2垂直下降算例方案描述7.6.3模型旋翼悬停算例验证7.6.4垂直下降算例流场分析7.6.5垂直下降性能预测7.7斜下降旋翼湍流场的数值模拟算例7.7.1计算模型及方法7.7.2旋翼升阻气动特性7.7.3单片桨叶压力场随周期的变化7.7.4孤立旋翼流场分析7.7.5旋翼/机身组合流场分析参考文献第8章旋翼TVD数值模拟方法8.1引言8.2TVD格式的概念和性质8.2.1TVD的概念8.2.2TVD的性质8.3TVD格式的构造8.3.1一阶TVD格式8.3.2二阶TVD格式8.3.3高阶TVD格式简介8.4对一维和多维方程组的推广8.4.1一维方程组的推广8.4.2多维方程组的推广8.5算例：旋翼流场Euler方程Jameson/TVD数值模拟8.5.1主控方程8.5.2数值方法8.5.3结果分析参考文献第9章旋翼绕流N-S方程数值计算方法9.1引言9.2Jameson格式9.2.1标量人工粘性的中心差分方法9.2.2各向异性的人工粘性9.2.3矩阵人工粘性模型9.3TVD格式9.3.1TVD的概念9.3.2单调格式、保单调格式和TVD性质的充分条件9.3.3显式一阶TVD格式举例9.4一种Jameson/TVD混合格式9.4.1N-S方程和通量修正法9.4.2旋翼流场N-S方程Jameson/TVD数值模拟方法9.5Jameson格式与其他格式9.5.1积分形式下的旋翼流动控制方程9.5.2空间离散格式9.5.3悬停旋翼流动的数值模拟9.5.4前飞旋翼流动的数值模拟参考文献第10章旋翼洗流和旋翼/机身/发动机耦合流场分析10.1引言10.2旋翼洗流分析10.3旋翼/机身干扰流场10.3.1"作用盘"假设10.3.2N-S方程直接模拟10.4旋翼/机身/发动机耦合流场10.5旋翼/机身/柱体耦合流场10.5.1旋翼/机身耦合流场10.5.2机身/柱体耦合流场参考文献第11章旋翼计算声学基础11.1引言11.2Ffowcs Williams-Hawkings方程和Kirchhoff理论11.2.1Ffowcs Williams-Hawkings方程11.2.2Kirchhoff理论11.3两种方法的比较11.4桨涡干扰噪声的模拟11.5计算流体力学方法参考文献习题与思考题附录彩图页。
直升机空气动力学一、引言直升机是一种能够在垂直方向起降的飞行器，其独特的设计和工作原理使其在许多领域发挥着重要作用。
直升机的空气动力学是研究直升机在空气中运动和操纵的科学，深入了解直升机的空气动力学原理对于提高直升机的性能和安全性至关重要。
二、气动力学基础直升机的气动力学基础包括气动力、气动力矩和旋翼气动力分析。
气动力是指直升机在飞行中由于空气的作用而产生的力，它包括升力和阻力。
升力是使直升机产生升力的主要力量，它是由于旋翼产生的气流下垂所产生的。
阻力是直升机在飞行过程中由于空气的阻碍而产生的阻力，它是直升机前进的阻碍力量。
三、旋翼气动力学旋翼是直升机最重要的部件之一，它是直升机产生升力和推力的关键。
旋翼的气动力学研究主要包括旋翼升力的产生、旋翼阻力的产生和旋翼的空气动力特性。
旋翼升力的产生是指旋翼通过改变攻角和旋翼叶片的运动来产生升力的过程，其主要依靠气流下垂产生升力。
旋翼阻力的产生是指旋翼在运动中由于空气的阻碍而产生的阻力，其大小取决于旋翼叶片的形状和攻角。
四、直升机操纵直升机的操纵是指驾驶员通过改变旋翼的迎角和旋翼的旋转速度来改变直升机的飞行状态和方向。
直升机的操纵主要包括升降操纵、前进操纵和横向操纵。
升降操纵是指通过改变旋翼的迎角来控制直升机的上升和下降。
前进操纵是指通过改变旋翼的旋转速度和机身的倾斜角度来控制直升机的前进和后退。
横向操纵是指通过改变旋翼的迎角差和尾桨的推力来控制直升机的左右移动。
五、直升机稳定性和控制性直升机的稳定性和控制性是指直升机在飞行中保持稳定和响应驾驶员操纵指令的能力。
直升机的稳定性主要包括静态稳定性和动态稳定性。
静态稳定性是指直升机在静止状态下保持平衡的能力，它取决于直升机的几何形状和重心位置。
动态稳定性是指直升机在飞行中保持平稳和响应驾驶员操纵指令的能力，它取决于直升机的气动特性和操纵系统。
直升机的控制性是指直升机在飞行中响应驾驶员操纵指令的能力，它取决于直升机的操纵系统和飞行状态。
直升机空气动力学限制直升机速度的一个重要因素是旋翼桨叶的挥舞，桨叶的惯性在不断地挥舞中增加了机械振动，铰链的磨损（或弹性元件的疲劳）使直升机的可靠性总是不如固定翼飞机。
常规直升机的柔性桨叶虽然是非常规机动成为可能，但柔性的桨叶也限制了直升机的机动性，难于像固定翼飞机一样做迅猛的滚翻、拉起、俯冲、盘旋动作，过于激烈的机动动作可能使桨叶和机体碰撞，严重危害飞行安全。
刚性桨叶的限制要小得多，采用刚性桨叶的直升机或许有这样、那样的问题，但都具有比常规直升机远为出色的机动性。
为此，刚性桨叶一直是直升机研究的一个目标。
洛克希德“夏延”的下马给刚性桨叶的发展蒙上阴影，但刚性桨叶的研究并没有就此偃旗息鼓，近来又柳暗花明的迹象。
为了大幅度提高直升机性能，美国从70 年代开始，进行了一系列直升机研究机项目。
西科斯基的“前行桨叶概念”（Advancing Blade Concept，简称ABC）在较早就获得成功。
如前所述，刚性旋翼的一个大问题是由于前飞的相对速度叠加在旋翼旋转速度引起的非对称升力，但对于刚性的共轴反转双桨来说，两边的非对称升力叠加起来，就对称了，刚性的桨叶和桨轴吸收所有的扭力，这就是ABC 可以免去挥舞铰的基本思路。
由于刚性桨叶没有挥舞，上下旋翼可以离得很近，而没有碰撞的危险。
差动式地加减上下旋翼的桨距以形成扭力差不仅形成水平方向上的转向，还由于刚性旋翼非对称升力造成横滚，进一步加速转弯过程，所以ABC 具有异乎寻常的机动性，大大超过常规直升机。
ABC 直升机有专用的推进发动机，高速平飞时，用气动舵面实现飞行控制。
采用ABC 的S-69（军用代号XH-59A）参加了LHX 竞争，但技术终究不够成熟，在悬停中低头或抬头也比较困难，落选于同出于西科斯基的常规旋翼加涵道尾桨的方案，后者最终成为RAH-66“科曼奇”，现在也下马了。
西科斯基XH-59A“前行桨叶”概念研究机，用共轴反转的刚性旋翼，既抵消扭力，又抵消非对称升力流线型的S-69 蛮俊俏的前行桨叶在无人机的大潮中得到复苏，西科斯基的Mariner/Cypher II 将前行桨叶和涵道风扇结合起来，动力从“碗边”通过传动轴传递，可以分别传递给上下旋翼，而不必用套筒轴驱动，大大简化机械设计和制造。
第1篇第一章：直升机概述1.1 直升机的定义与分类直升机是一种垂直起降的航空器，它通过旋翼的旋转产生升力。
根据旋翼的数量，直升机可分为单旋翼直升机和多旋翼直升机。
单旋翼直升机通过尾桨来平衡旋翼的扭矩，而多旋翼直升机则通过多个旋翼来平衡扭矩。
1.2 直升机的发展历程直升机的发展可以追溯到20世纪初，当时的航空先驱们尝试通过旋转的叶片来产生升力。
经过多年的研究和实验，直升机逐渐从理论走向实践，并在第二次世界大战期间开始用于军事领域。
随着技术的进步，直升机在民用领域也得到了广泛的应用。
第二章：直升机气动原理2.1 旋翼的气动特性旋翼是直升机产生升力的主要部件，其气动特性如下：（1）旋翼叶片的形状和数量：旋翼叶片的形状和数量对直升机的气动性能有很大影响。
叶片形状决定了升力和推力的产生，叶片数量则影响了直升机的稳定性和机动性。
（2）旋翼叶片的转速：旋翼叶片的转速越高，产生的升力和推力越大。
但过高的转速会导致叶片振动和噪声增大。
（3）旋翼叶片的攻角：旋翼叶片的攻角是指叶片与气流方向的夹角。
攻角越大，产生的升力越大，但过大的攻角会导致叶片失速。
2.2 旋翼的空气动力学分析旋翼的空气动力学分析主要包括以下几个方面：（1）旋翼叶片的升力系数：升力系数是旋翼叶片产生升力的能力，它与叶片形状、攻角和转速等因素有关。
（2）旋翼叶片的阻力系数：阻力系数是旋翼叶片在飞行过程中受到的空气阻力与升力的比值。
阻力系数越小，直升机的燃油效率越高。
（3）旋翼叶片的扭矩：扭矩是旋翼叶片旋转时产生的力矩，它与升力和转速有关。
第三章：直升机气动设计3.1 旋翼设计旋翼设计是直升机气动设计的关键环节，主要包括以下几个方面：（1）叶片形状：叶片形状决定了旋翼的气动性能，如升力系数、阻力系数和扭矩等。
（2）叶片数量：叶片数量影响了直升机的稳定性和机动性。
（3）叶片材料：叶片材料对旋翼的强度、重量和耐久性有很大影响。
3.2 尾翼设计尾翼设计主要包括尾桨和尾梁，其作用是平衡旋翼的扭矩，提高直升机的稳定性和操纵性。
