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
复杂的直升机旋翼空气动力学
直升机作为20世纪航空技术领域极具特色的创造之一，极大地拓展了飞行器的应用范围。直升机是典型的军民两用产品，可以广泛地应用于运输、巡逻、救护等多个领域。旋翼是直升机的关键部件，为直升机的飞行提供所需的升力、推进力和操纵力。旋翼的气动特性直接决定了直升机的性能、飞行品质、噪声辐射和振动特性等，因而旋翼空气动力学是直升机设计的关键技术之一。由于旋翼的风洞实验技术复杂、费用昂贵，旋翼计算流体力学越来越受到学术界和工业界的重视。另外，旋翼计算流体力学可以在旋翼的外形优化方面发挥无可替代的作用。到目前为止，旋翼计算流体力学仍然是计算流体力学领域的前沿问题，也是直升机工业界急需解决的关键技术问题。美国空军甚至将旋翼空气动力学的研究列为21世纪美国空军的7个空气动力学重点研究方向之一。
直升机旋翼空气动力学特性
与固定翼相比，旋翼空气动力学的复杂性（如图1所示）主要包括：
1. 旋翼所产生的尾涡结构比较复杂，始终在旋翼下方附近，主宰着整个流场，严重地改变了桨叶的有效迎角，从而影响旋翼的气动性能；
2. 直升机在低速下降过程中，前行桨叶产生的桨尖涡会与后行桨叶产生叶涡干扰(Blade-Vortex Interaction, BVI) 现象；
3. 前飞状态下，前行桨叶的相对速度较大，而后行桨叶的相对速度较小，后行桨叶为了获得足够的升力，必须工作在大迎角状态，这样很容易产生大分离流动，甚至动态失速；
4. 前行桨叶的相对速度较大，靠近桨尖区一般都会有激波产生，激波较强时会产生激波-附面层的干扰现象，并诱导边界层发生分离；
5. 旋翼流场高低速并存，在跨音速态下，桨尖有激波产生，桨毂区为不可压区。旋翼流动的这些复杂特征给旋翼流场的数值模拟带来了很大的困难。
常见的研究方法
近几十年来，随着计算流体力学 (ComputationalFluid Dynamics, CFD)
的发展和广泛应用，旋翼CFD也经历了快速发展。纵观旋翼CFD的发展历程，控制方程经历了小扰动速势方程、全速势方程、Euler和Navier-Stokes
直升机的空气动力学原理
直升机的升力产生主要依靠主旋翼产生的升力，主旋翼又由主旋翼桨叶和发动机组成。主旋翼桨叶一般采用三片叶片，通过主轴旋转，在空气中产生升力。主旋翼桨叶在运动过程中，相对于直升机机身而言，具有迎风运动和顺风返流运动。
主旋翼桨叶迎风运动时，椭圆形的桨叶在进入迎风段时，攻角较大，形成向上的升力。在桨叶前半部，流速较大，产生的升力大；桨叶后半部流速减小，升力减小。此时，通过调节桨叶的攻角和旋转速度，使得桨叶的合力与重力平衡，从而实现直升机的悬停。
主旋翼桨叶顺风返流运动时，桨叶相对于机身运动速度逐渐增大，攻角减小。在桨叶前半部，流速变小，产生的升力减小；桨叶后半部流速增加，升力增加。此时，通过调节桨叶的攻角和旋转速度，使得升力与飞机的质量平衡，实现直升机的前进飞行。
此外，直升机的侧倾和横滚运动也是通过调节主旋翼桨叶的迎风运动和顺风返流运动来实现的。侧倾运动是通过改变主旋翼桨叶的迎风运动时的攻角大小和方向，使得主旋翼桨叶产生侧向的力矩，从而使直升机发生侧倾运动。横滚运动是通过改变主旋翼桨叶的迎风运动和顺风返流运动的相对大小，使得主旋翼桨叶的升力中心发生移动，从而使直升机发生横滚运动。
除了主旋翼的升力产生外，直升机还利用尾旋翼产生的反扭矩以及水平尾翼产生的水平稳定力来保持平稳飞行。尾旋翼通过产生方向相反的旋转力矩，抵消主旋翼产生的旋转力矩，从而保持直升机的平衡。水平尾翼通过产生向下的力来平衡主旋翼产生的俯仰力矩，从而保持直升机的水平稳定。
总结一下，直升机的空气动力学原理主要是通过主旋翼桨叶的旋转运动产生升力，通过调节桨叶的攻角和旋转速度来控制升力的大小和方向，从而实现直升机的悬停、垂直起降和平稳飞行。同时，借助尾旋翼和水平尾翼产生的力矩和稳定力来保持直升机的平衡和稳定。直升机的空气动力学原理是复杂且精细的，对于设计和控制直升机的飞行具有重要意义。
锋绘２０１９年第５期１５１ 直升机旋翼空气动力学的发展陶文强(中国人民解放军６９００８部队,新疆五家渠８３１３００)摘 要:目前,旋翼动力学研究已经取得了很大的进展,,但是离人们的期望水平仍有一定差距.随着直升机的高、大型化发展,直升机旋翼空气动力学问也会越来越突出旋翼的研究有着广阔前景.关键词:直升机;旋翼空气;动力学;发展１ 直升机旋翼空气动力学特性与固定翼相比,旋翼空气动力学的复杂性主要包括:旋翼所产生的尾涡结构比较复杂,始终在旋翼下方附近,主宰着整个流场,严重地改变了桨叶的有效迎角,从而影响旋翼的气动性能;直升机在低速下降过程中,前行桨叶产生的桨尖涡会与后行桨叶产生叶涡干扰(Blade－VortexInteraction,BVI)现象;前飞状态下,前行桨叶的相对速度较大,而后行桨叶的相对速度较小,后行桨叶为了获得足够的升力,必须工作在大迎角状态,这样很容易产生大分离流动,甚至动态失速;前行桨叶的相对速度较大,靠近桨尖区一般都会有激波产生,激波较强时会产生激波－附面层的干扰现象,并诱导边界层发生分离;旋翼流场高低速并存,在跨音速态下,桨尖有激波产生,桨毂区为不可压区.旋翼流动的这些复杂特征给旋翼流场的数值模拟带来了很大的困难.２ 旋翼气动理论２．１ 旋翼滑流理论旋翼滑流理论或动量理论的起源可追溯到１９世纪的船用螺旋桨的研究.２０世纪初,Betz将动量理论扩展应用于飞机的螺桨.１９２６年,Glauert进一步将动量理论用于前飞中的旋翼,为旋翼动力学之始.动量理论采用均匀滑流的假设,把旋翼看成一个无限薄的桨盘,应用流体流动的基本定律来研究旋翼桨盘对气流的作用.动量理论是一种宏观上的分析,它的特点是计算模型简单,主要用于旋翼诱导气流及旋翼性能的初步估算,在直升机性能计算、总体参数选择等分析中使用.动量理论的缺点是采用了诱速均与的假设,且不能涉及旋翼桨叶的几何特性,因此,涉及桨叶几何特性的旋翼动力学分析需考虑到桨叶叶素的气动特性.２．２ 桨叶叶素理论桨叶叶素理论最早由Drzewiwcki在１９世纪末提出,是机翼升力线理论在旋翼桨叶中的应用.它把桨叶看成由无限多的桨叶微段或叶素构成.假设每个桨叶剖面作为一个二维翼型来产生气动作用,通过诱导速度计入尾流(三维效应)的影响,因此在各桨叶微段上,可应用二维翼型特性确定桨叶剖面的气动力和力矩,沿桨叶径向积分可得一片桨叶进而整个旋翼的气动力和力矩.旋翼的气动性能取决于剖面的入流特性和升阻特性,而升阻特性与当地剖面迎角从而与当地诱导速度密切相关,因此,使用叶素理论确定旋翼气动特性,当地诱速的计算是一个关键.可采用动量理论、涡流理论等计算诱导速度,后者能给出较准确的诱速分布.桨叶叶素理论为旋翼空气动力学奠定了基础,它涉及桨叶的细节流动和载荷,使旋翼性能与设计参数相联系,可直接用于旋翼的设计中.但由于升力线是建立在机翼或桨叶高展弦比的假设之上,在桨叶载荷和诱导速度梯度过大的区域,例如桨尖附近和涡桨干扰的附近,升力线假设并不满足,因而叶素理论在这些区域不是严格正确的.２．３ 旋翼涡流理论广义的说,旋翼涡流理论包括两个问题,一是旋翼桨叶涡系的分析,二是旋翼尾迹的分析.旋翼尾迹要比固定翼的复杂的多,一直是旋翼涡流理论的关注重点.涡流理论的基础是Joukowski在本世纪２０年代前后建立的.进入５０年代,涡流理论受到普遍重视.１９６１年,我国学者王适存考虑纵横向涡线一般情况,推导了广义涡流理论,为经典涡流理论作出了贡献.经典涡流理论保罗桨盘涡系模型和桨叶涡系模型.前者旋翼被假设为具有无限片桨叶的桨盘,尾迹涡线连续的规整的不知在圆柱涡面上;后者则由有限片桨叶后拖出的螺旋涡线组成按来流速度和等效诱导入流确定其延伸方向的刚性尾迹.２．４ 旋翼流场计算的CFD方法近年来,计算流体动力学CFD用于直升机空气动力学研究取得了突出的成果.旋翼空气动力学研究的复杂和困难集中表现在旋翼涡系和流场.旋翼涡系和流场包含了空气动力学的多种复杂特征,如流场整体旋转性、非定常非线性、三维效应、流场中的桨尖涡结构、涡桨干扰、后行桨叶局部区域气流分离及前行桨叶桨尖跨声速状态等.８０年代以来的研究表明,采用CFD方法能比较正确地给出旋翼在复杂运动情况下的非定常空气动力特性,在计算直升机机身气动特性方面有较高准确性,可以节省大量试验.CFD方法在直升机上的应用刚刚开始,可以预计,在不久的将来,CFD作为一种新的分析计算方法,在直升机技术的发展中将得到越来越广泛的应用.在旋翼CFD方法中,N－S方程是最高层次的控制方程,它能考虑气流的粘性,但是直接用N－S方程求解跨音速流场,其网格必须划分的足够小,这无论从目前的计算机容量还是计算机速度来说都是不现实的,因此必须对N－S方程进行适当的简化.２．５ 柔性多体系统动力学近２０多年来直升机技术特别是旋翼技术的迅猛发展,很大程度上得益于复合材料的应用.复合材料的采用为旋翼桨叶气动外形的改进和优化及旋翼动力学特性优化提供了可能,更重要的是复合材料使在交变载荷作用下的旋翼寿命大幅度提高;复合材料在机身上的应用正在迅速发展,在传动系统中的应用也已提上日程.最近迅速发展起来的智能复合材料将为直升机技术的发展开辟新的天地.智能复合材料与结构是国外８０年代在复合材料基础上发展起来的高新技术,它把传感器阵列、光电器件、微型处理机等嵌埋在复合材料结构中,形成既能承载又具有某些特定功能的结构材料.智能结构的产生为实现旋翼的自适应控制提供了可能.３ 结论旋翼空气动力学是功率型飞行器(包括直升机、螺旋桨飞机及旋翼机等)的空气动力学的核心内容.直升机旋翼空气动力学问题是直升机设计过程中的先导并且是具有全局性影响的重要研究问题.参考文献[１]王适存,徐国华．直升机旋翼空气动力学的发展[J]．南京航空航天大学学报,２００１,３３(３):２０３Ｇ２１１．[２]陈平剑,李春华．直升机空气动力学现状和发展趋势[J]．直升机技术,２００９,(３)．[３]李文浩．复合式高速直升机旋翼/机身气动干扰特性的CFD分析[D]．南京航空航天大学,２０１２．
