15-桨叶结冰对旋翼气动特性影响的计算-胡立芃-6

工作研究—112—对飞机翼面结冰对飞行特性影响的探讨谢春立（陕西飞机工业有限责任公司设计研究院，陕西 汉中 723000）引言：由于大气层复杂多变，在飞机飞行过程中极易出现飞机翼面结冰现象，这对飞机飞行性能以及安全性具有极大影响。

因此，应明确飞机翼面结冰对飞行特性造成的具体影响，从而使用合理防冰除冰措施保证飞机稳定、安全飞行。

1 飞机飞行特性在翼面结冰情况下所受影响分析1.1 机翼积冰影响 1.1.1 起飞爬飞性能 飞机升力主要来源于机翼，不仅如此，飞机上升以及飞行的平稳度更是取决于机翼状态，若是机翼翼面存在积冰现象，机翼整体形态会被改变，进而导致飞行仰角出现变化，影响飞机飞行安全性。

其中，最先受到影响的就是飞机起飞和爬升性能，当机翼出现积冰问题时，会降低飞机升力，进而导致飞机无法顺利起飞。

同时，飞机升力的提高取决于飞行仰角，当仰角越大时，飞行升力就越高，但仰角过大会致使飞机尾部擦地，所以，还需要提高速度，从而使飞机能够顺利爬升。

但是在飞机机翼存在积冰的状况下，会增大飞机起飞滑跑阻力，进而降低其加速度，导致难以在规定路程内顺利起飞。

另外，当飞机在爬升过程中，由于整体阻力变大，进而影响飞机爬升速度和角度，对越障能力造成影响。

而且，并不是只有大冰块会对飞机起飞爬升性能造成影响，机翼表面每平方厘米存在两毫米左右的冰粒就会对飞机起飞造成影响。

例如，安大略航空公司一起飞机事故的发生原因就是没有发现机翼上的薄冰，进而导致其起飞一分钟后坠毁，造成四十余人受伤，二十余人死亡。

1.1.2 着陆性能 若是机翼存在积冰现象，会降低飞机升力，进而导致飞机重力过大，当飞机在着陆时，其冲击力也会增大，进而对飞机和跑道产生不同程度的损害。

若是想要在该情况下提高飞机升力，降低冲击，需要增加着陆速度，但这会影响飞机着陆后的滑跑距离，进而导致飞机滑出跑道等情况。

1.1.3 副翼操纵 相较于机翼翼根这类大面积部件，飞机机翼的平尾和翼尖这种小而薄的部件更为容易结冰，出现积冰现象。

如图3所示桨叶在旋转中心铰支并有约束刚度此约束刚度为旋翼轴的扭转刚度在弹性轴承处设旋转中心dn图3第二种计算模型3计算和试验结果下面给出了用两种模型计算旋翼摆振集合型的固有频率和振型在用第二种模型计算时分别考虑了两个旋翼轴扭转刚度数据对固有频率及振型的影旋翼轴的扭转刚度对集合型摆振二阶频率的影响很大
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A加tr ct For a belico t r 功 r s” wit d mp临 be加 n t o blad s， ’ co lec v lead l g a P e 协 tem h a e w e it s l t e i a o e m d is 伪 upl记 t the r 句 sh叭， the pr ma可c或ul 啪5 毗 ha e not c nsider 此 rotor s a o o r in i t a v o hf t sti而ess. In t is pap吧， give a new m del ， ha丫 a col” o n wit t e f m er mo el. h r we o and e pans h h o d e o s K y w rd heU copter ;拍 ;dyn晚ic cha cler sti tor a r i c
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图3 第二种计算模型
3 计算和试验结果
下面给出了用两种模型计算旋翼摆振集合型的 固有频率和振型， 在用第二种模型计算时， 分别考虑 了 两个旋翼轴扭转刚度数据对固 有频率及振型的 影 响。由表 1、 2 和图4 中可以看到: 表 ， 旋翼轴的 扭转刚度对集合型摆振二阶频率的

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总 第 15 期 1
2( 7 年 第3 期 ) X
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肠 分 No. 15 吐 1
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直升机旋翼桨叶结冰后的性能研究作者：李江琦冯世国来源：《科学导报·学术》2020年第23期摘要：直升机旋翼作为操纵和升力面在飞机运行过程中发挥重要作用，外界环境很容易导致结冰是直升机旋翼桨叶会结冰，此时会导致飞机原有的翼型被改变，旋翼使用的各种特性被破坏，直接导致直升机运行中的震动状态加剧。

关键词：直升机;旋翼桨叶;结冰;性能研究直升机在研发使用过程中关注具体使用问题，关于直升机结冰国内外都比较重视，为了保证直升机能够充分发挥作用，必须在直升机设计制造过程中考虑各种因素，结合直升机使用的特殊环境，避免在直升机飞行过程中出现结冰。

直升机飞行中旋翼桨叶结冰达到一定的厚度就会对直升机的性能产生一定的影响，长时间的影响下会直接引发重大事故，在此方面国内外都有一定的经验教训。

一、结冰后升力特性在具体研究中根据需要记录两种速度下的，控制温度和含水量详细记录各种组合下产生的剖面升力特性，以此来验证本次制作模型的准确性，并且再具体分析中详细了解桨叶结冰的影响。

从具体提数据分析可知，不结冰时站位桨叶模型的小速度为0.182，此时计算诱导速度会存在一定的差异，进而后续实验操作和实际数据计算存在一定的偏差，在其他条件下桨叶的升力特性比较稳定，特性分析数据与其试验实验数据趋于一致，由此总结可知，是在保证正确性基础上实现气动模型计算的。

翼型的升阻条件会受到桨叶状态的影响，控制好固定的拉力系数在桨叶结冰时，让桨叶尽可能的满足配平条件，结冰后的升力特性会有一定的变化，随着结冰状态的不同其变化随着方位角变化差异并不明显。

分析具体原因可知：在直升机质量相同的条件下，升力系数需要在运行中或得补偿，通过总距的大小调整进行调节，除此之外还需要考虑对直升机功率的影响，在具体理论分析时了解到此时影响比较大。

后续具体计算可知飞机运行的时间越长只考虑温度调价变化，此时对桨叶使用影响最大，桨叶迎角较大结冰后影响升阻，此时控制其温度条件会导致水减少。

第49卷第10期2021年10月同济大学学报（自然科学版）JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）Vol.49No.10Oct.2021论文拓展介绍不同攻角和翼型的简化角冰特征参数的气动数值模拟郑诚毅1，东乔天2，赵宾宾2，金时彧2，隋冬雨3，杨志刚4，李伟斌5，金哲岩1（1.同济大学航空航天与力学学院，上海200092；2.中国商用飞机上海飞机设计研究院，上海201203；3.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海200241；4.上海地面交通工具风洞中心，上海201804；5.中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000）摘要：选取常规翼型NACA23012、自然层流翼型NACA64-215和超临界翼型RAE2822，以冰角高度、冰角宽度，冰角端部形状以及冰角之间的连接情况4个参数来研究角冰对不同翼型在不同攻角下的升阻力系数的影响。

结果表明，角冰的下冰角是影响翼型升阻力系数的主要原因之一，且不同翼型对参数的敏感性不同。

同时，增加预测模型的升力性能可以通过选择半圆形的冰角端部形状、增加冰角之间的连接和减小冰角高度来实现。

关键词：升阻力系数；角冰；常规翼型；自然层流翼型；超临界翼型中图分类号：V211文献标志码：A Aerodynamic Numerical Simulation of Characteristic Parameters of Simplified Horn Ice at Different Angles of Attack and AirfoilsZHENG Chengyi1，DONG Qiaotian2，ZHAO Binbin2，JIN Shiyu2，SUI Dongyu3，YANG Zhigang4，LI Weibin5，JIN Zheyan1（1.School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics，Tongji University，Shanghai200092，China；AC Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai201203，China；3.AECC Commercial Aircraft Engine Co.Ltd.，Shanghai200241，China；4.Shanghai Automotive Wind Tunnel Center，Shanghai 201804，China；5.China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang621000，Sichuan，China）Abstract：This paper selects the conventional airfoil NACA23012，natural laminar flow airfoil NACA64-215and supercritical airfoil RAE2822，with four parameters including the height，width，end shape of horn-ice，and connection between horns，to study the influence of these four parameters on the lift/drag coefficient of different airfoils at different angles of attack.The results show that the lower horn of horn-ice is one of the main factors affecting the coefficient，and the sensitivity of different airfoils to parameters is different.The lifting performance of the prediction model can be increased by selecting the semicircle end，adding the connection between horns and decreasing the height of the horn-ice.Key words：lift/drag coefficient；horn ice；conventional airfoil；natural laminar flow airfoil；supercritical airfoil在当今所有的飞机事故中，除人为因素外，气象条件导致的事故占所有事故的10%~15%，而气象条件中，结冰对飞行安全的影响最大。

低雷诺数螺旋桨滑流对机翼气动特性的影响研究孙凯军;包晓翔;付义伟【摘要】深入研究低雷诺数滑流对机翼的影响,能够推进临近空间低速流动机理性研究,提供可靠的气动参数.参考某太阳能无人机,建立单螺旋桨计算模型,采用两叶螺旋桨,通过ICEM网格软件生成具有两个计算域的高质量结构网格,应用滑移网格边界条件,对模型进行数值模拟;分析低雷诺数螺旋桨滑流的发展和机翼在滑流作用下的非定常气动特性,研究不同螺旋桨位置对机翼气动特性的影响,计算结果表明螺旋桨滑流会很大程度地改变机翼表面压力分布和沿翼展的升力分布,对机翼升阻特性有显著影响,同时螺旋桨滑流可以抑制机翼表面层流分离泡的产生.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2018(009)004【总页数】9页(P577-584,622)【关键词】低雷诺数;螺旋桨滑流;滑移网格;N-S方程;非定常数值模拟;层流分离泡【作者】孙凯军;包晓翔;付义伟【作者单位】中国航天空气动力技术研究院彩虹无人机科技有限公司,北京100074;中国航天空气动力技术研究院彩虹无人机科技有限公司,北京 100074;中国航天空气动力技术研究院彩虹无人机科技有限公司,北京 100074【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言随着科学理论、工程设计与制造技术的不断发展，超长的滞空能力成为现代无人机发展的一个重要方向，此类飞行器以太阳能无人机为典型代表，其在总体上的首要设计目标是提高飞行器的巡航高度及实现飞行器的超长滞空目标，并以这两项性能为基础，实现包括侦察、通信、科研、预警等在内的诸多军用、民用用途。

螺旋桨推进系统[1]由于其高效率、重量轻、高空稀薄空气条件下具备长期运行可靠等特点，作为太阳能无人机的主要推进装置。

螺旋桨对飞机的干扰[2-4]主要表现在螺旋桨滑流对机翼气动特性的影响，这种影响通常是非常显著的。

从20世纪30年代开始，国外飞机设计师就开始了理论与试验研究，R.J.Kind等[5-8]采用风洞试验研究不同螺旋桨转速对低雷诺数机翼气动特性的影响，通过流场显示技术观测机翼表面转捩的情况。

螺旋桨飞机滑流对全机气动特性影响的试验研究任庆祝;赵晓霞;刘毅;张鹏【摘要】为准确分析螺旋桨飞机有动力状态下的飞行性能和操纵品质,需要得到螺旋桨动力系统,特别是滑流对全机气动特性的影响量.采用一种“小天平+主天平”的多天平测量技术,可以分别测量得到螺旋桨的直接力和全机的气动力数据,进而得到比较准确的纯滑流对全机气动特性的影响量.通过螺旋桨飞机的带动力测力风洞试验研究表明:滑流会引起全机的升力系数、阻力系数,以及俯仰力矩系数相比无动力状态有所增加,升力系数和阻力系数增量随迎角大致呈二次曲线规律递增,俯仰力矩系数增量变化趋势与飞机所在迎角关系较大.滑流对横航向气动特性影响是降低了全机横向力导数以及横、航向静稳定性,并可能引起零侧滑下的全机的不对称横、航向力矩产生.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)015【总页数】4页(P214-217)【关键词】滑流;气动特性;螺旋桨带动力风洞试验;多天平测量技术;桨盘系数【作者】任庆祝;赵晓霞;刘毅;张鹏【作者单位】中航飞机研发中心1所,汉中723000;中航飞机研发中心1所,汉中723000;中航飞机研发中心1所,汉中723000;中航飞机研发中心1所,汉中723000【正文语种】中文【中图分类】V211.7凭借出色的燃油消耗率、低廉的使用成本、较高的维修性和可靠性，以及对动力选择的多样化需求，涡轮螺旋桨发动机越来越广泛地被应用于航空飞行器中，如美军V-22“鱼鹰”运输机、E-2C“鹰眼”预警机、空中客车A400M运输机，以及安多诺夫AN-70运输机等。

目前我国已服役的多款运输机及特种飞机均采用了螺旋桨动力系统，滑流是螺旋桨动力飞机特有的一重要特征，研究滑流对飞机气动特性的影响对于准确分析飞机的飞行性能和操纵品质具有十分重要的意义。

螺旋桨动力系统对飞机气动特性的影响主要有直接影响和间接影响两部分[1]。

直接影响是由螺旋桨动力系统产生的拉力、扭矩等直接力影响，也包含飞机有迎角(或侧滑角)时气流斜吹螺旋桨后在桨盘平面内产生的螺旋桨径向力对全机气动特性的影响[2]；间接影响是由螺旋桨滑流引起的全机气动特性的变化，螺旋桨滑流对全机的气动特性具有显著的影响[3—6]。

水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟在当今社会中，风力发电作为一种清洁能源正受到越来越多人的关注和重视。

然而，随着风力发电技术的不断发展，一些新的问题也逐渐浮出水面，其中一个关键问题便是水平轴风力机叶片翼型结冰。

结冰会对风力机的性能和安全造成严重影响，因此进行水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟并采取相应的防冰措施显得尤为重要。

一、水平轴风力机叶片翼型结冰的现状及影响1.1 水平轴风力机叶片翼型结冰的现状随着风力发电技术的快速发展，水平轴风力机叶片翼型结冰的问题也越来越突出。

在寒冷的气候条件下，叶片翼型结冰不仅会减小叶片的气动性能，还会增加振动和噪音，严重影响风力机的运行和发电效率。

1.2 结冰对水平轴风力机的影响结冰叶片会导致水平轴风力机的性能下降，增加风力机振动，降低叶片和塔架的寿命，甚至可能造成风力机系统的故障和损坏。

如何有效地解决水平轴风力机叶片翼型结冰的问题成为当前亟待解决的难题。

二、水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟2.1 翼型结冰数值模拟的意义通过数值模拟翼型结冰情况，可以帮助工程师和研究人员更好地理解叶片结冰对风力机性能的影响规律，进而指导防冰技术的开发和改进，提高风力机的运行可靠性和发电效率。

2.2 翼型结冰数值模拟的方法和技术目前，翼型结冰的数值模拟方法主要有几种，包括Computational Fluid Dynamics (CFD)、流体固耦合(Coupled Fluid-Structure Interaction)等。

通过对风场、温度场和湍流场等参数进行数值计算和仿真，可以有效地揭示叶片结冰的规律和特点。

2.3 翼型结冰数值模拟的挑战和展望尽管翼型结冰的数值模拟在理论和技术上存在一定的挑战，但随着计算机技术和模拟方法的不断进步，相信在不久的将来，我们将能够更精确地模拟叶片结冰的情况，为风力机的防冰技术提供更可靠的依据。

三、结语水平轴风力机叶片翼型结冰是当前风能行业亟待解决的难题之一，解决这一问题对于提高风力机的可靠性和发电效率具有重要意义。

∫mΩ r（ rβ
0
） dr － F （z m） rdr
0
∫
F （z m） 表示作用在第 m 片桨叶上的气动力。 根据整个旋翼上力矩在桨毂上平衡可以得到万 向铰桨毂俯仰运动和滚转运动的平衡方程 。 把 K 片桨叶的俯仰力矩加在一起， 并加上纵向的桨毂弹 簧力矩， 然后对方位角取平均， 得到： 1 2π 0
2 ρ（ Ω R ） （ πR ） 2
u T = ΩR r + μsinψ R
(
)
+u
2 P
（ 21 ） CT =
u P = ΩR （ μβcosψ － μtanα） + υ + r + β u = u 槡
2 T
桨叶剖面相对来流的合速度： （ 22 ） 剖面迎角为：
K dF p （ ψ） cosβ （ 25 ） N∑ i =1 0
总 第 174 期 2013 年第 1 期
直 升 机 技 术 HELICOPTER TECHNIQUE
Total No． 174 No． 1 2013
1220 （ 2013 ） 0101005 文章编号： 1673-
横列式双旋翼直升机旋翼对机翼的干扰分析
孙 浩， 夏品奇
（ 南京航空航天大学航空宇航学院， 江苏 南京 210016 ）
dR dL dN UR z UT OH UP z dC dD UB UT
UP
图1
桨叶剖面相对来流速度
由图 1 可知， 桨叶剖面相对来流的切向速度 u T 和垂向速度 u P 为：
{
沿径向积分， 然后沿周向将积分结果叠加， 再求其平 均值并乘以桨叶片数 K ， 得到： 旋翼拉力系数（ 沿 Y 轴正方向为正） ： 1

涵道螺旋桨气动特性的CFD模拟及结构参数影响分析
邹汝红;胡玮军;王海容
【期刊名称】《流体测量与控制》
【年(卷),期】2024(5)1
【摘要】涵道螺旋桨的气动特性对涵道飞行器的动力性能有直接影响。

对影响涵
道气动特性的结构参数进行量化,采用单一变量法,对具有不同桨尖间隙、唇口半径、桨盘安装位置、涵道扩散角的涵道模型进行了计算流体力学(CFD)仿真研究,通过对流场结构及升力特性进行对比分析,得到了涵道螺旋桨结构参数对增升特性的影响
规律。

【总页数】4页(P7-10)
【作者】邹汝红;胡玮军;王海容
【作者单位】邵阳学院机械与能源工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O355
【相关文献】
1.涵道螺旋桨气动特性数值模拟
2.开口壁式涵道螺旋桨气动特性数值模拟
3.前飞状态涵道尾桨气动特性CFD分析
4.涵道螺旋桨式反扭矩系统气动特性工程计算方法研究
5.涵道尾桨气动特性及翼型CFD分析
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水平轴结冰风力机气动特性数值模拟发布时间：2021-05-27T16:35:29.330Z 来源：《当代电力文化》2021年第5期作者：乔棚钰1，张浩博2，彭杨杨3[导读]乔棚钰1，张浩博2，彭杨杨31.华北理工大学管理学院，河北唐山063210；2.华北理工大学人工智能学院，河北唐山063210；华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山063210摘要：随着能源危机进一步加深，风能作为清洁的可再生能源受到了重视，其中寒冷地区风力机结冰问题尤为凸显。

本文以某1.5MW 水平轴风力机为研究对象，分析结冰对于气动特性的影响。

通过Fluent软件进行数值模拟，分析未结冰和-4℃、-8℃、-12℃三种温度下结冰时间分别为30min、60min、90min、120min的翼型气动特性。

结果表明：结冰导致风力机气动特性明显降低，升力系数降低，阻力系数升高，升阻比锐减。

关键词：水平轴结冰；气动特性；数值模拟0引言当前风能利用飞速发展，风力机可靠性与可维护性受到广泛关注，其中，寒冷高湿气候条件下的研究是一个重要方向，寒冷高湿气候给风力机带来的主要问题就是叶片结冰[1]，风力机叶片结冰后其翼型形状发生改变，导致升力降低，阻力升高，影响风力机气动特性，减少风力机的输出功率[2]；风力机叶片结冰还会使叶片增加额外负载，非对称负载会导致叶片额外振动，严重时引发风机共振，进而影响叶片的结构强度，降低其疲劳寿命，引发安全事故。

因此风力机结冰问题受到了人们的广泛关注。

1获取结冰冰型结冰冰型的获取是研究风力机气动特性的前提。

针对某1.5 MW水平轴风力机进行计算研究，风轮直径83 m，额定风速为11m/s，额定转速为20 r/min。

把整个风力机叶片外形分成八个截面，由于第8个翼型截面的结冰最为明显，因此研究结冰后的气动特性最具代表性。

第八截面风力机额定工况下翼型的工作参数如表1所示。

在本文计算中选取环境温度T为-4℃、-8℃、-12℃，选取液态含水量LWC为0.1 g/m3，选取水滴粒子平均直径MVD为15 μm，选取结冰时间t为30 min、60 min、90 min、120 min。

带下反桨尖旋翼气动噪声数值分析曹亚雄;樊枫【摘要】采用高精度、高效的CFD(计算流体力学)方法求解旋翼流场,在获得准确的流场信息的基础上,噪声计算采用基于声类比法的FW-H方程进行求解.利用算例对气动噪声预估方法进行了验证,针对带不同下反角度桨尖旋翼的悬停状态和前飞状态的气动噪声进行了对比计算分析,着重开展了下反角为0°、20°和45°的三副旋翼的近场噪声及地面噪声计算分析,结果表明,下反桨尖具有降噪效果,能够在一定程度上抑制旋翼气动噪声.【期刊名称】《直升机技术》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】7页(P7-12,19)【关键词】下反桨尖;气动噪声;CFD;FW-H;降噪【作者】曹亚雄;樊枫【作者单位】中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室,江西景德镇333001;中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室,江西景德镇333001【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言早期的旋翼外形设计只考虑旋翼的气动性能，往往忽视噪声的影响。

随着现代直升机技术的发展，直升机噪声尤其是旋翼的气动噪声问题越来越受到重视。

旋翼的气动噪声问题十分复杂，不同飞行状态下的旋翼噪声成分也不同。

其中，悬停、斜下降以及中速前飞等飞行状态下旋翼会不同程度地产生桨-涡干扰(BVI)噪声，一旦出现将会对周围环境及地面人员产生较大影响。

研究表明，通过优化桨叶气动参数可以有效改善旋翼的噪声特性[1-3]。

桨尖作为桨叶的主要气动参数之一，同时又是桨叶最为敏感的区域，其构型极大地影响着旋翼的气动性能和噪声特性。

桨尖形式包括后掠、尖削、前掠以及下反等。

相对于后掠、尖削等桨尖二维平面形状，桨尖下反的研究开展较晚但发展迅速，已成功应用于国外型号。

BERP(英国实验旋翼计划)旋翼[4-5]装配在“海王”、“灰背隼”和AW101等直升机上，取得了很好的实用效果。

最新一代的BERPⅣ桨叶在BERPⅢ桨叶的基础上进行了优化，下反角从20°增加到25°，提升了悬停气动性能。

第22卷第3期2004年9月飞行力学FLIG~T DYNAMICS VOl .22NO .3Sep.2004收稿日期:2003-10-20;修订日期:2004-06-24作者简介:钟长生(1945-) 男 四川自贡人 副教授 研究方向为飞行力学与飞机系统G文章编号:1002-0853(2004)03-0064-05飞机结冰引起的飞行动力学问题探讨钟长生1 杜亮2 洪冠新2(1.中国民航飞行学院飞行技术与航空工程学院 四川广汉618307;2.北京航空航天大学航空科学与工程学院 北京100083)摘要:飞机在结冰后 飞行性能~稳定性~操纵性都受到不同程度的影响 对这些问题进行了阐述 并分析了其原因G 为定性地说明问题 给出了一些算例和试飞数据G 最后 概要性地分析了结冰后的飞行动力学问题 并展望了以后的研究方向G关键词:飞机结冰;飞行力学;稳定性;操纵性中图分类号:V 212-1文献标识码:A引言飞机结冰是飞机在飞行中经常可能遇到的表面某些部位聚集冰层的现象G 结冰后会对飞机飞行产生不利的影响 如飞机损伤甚至机毁人亡G 据美国国家运输安全委员会(NTSB )统计:1976至1979年间 美国共发生178起民用飞机因结冰而引起的飞行事故 其中灾难性事故100起 占结冰引起的飞机事故总数的56%G 我国幅员辽阔 南北~东西气温变化很大 高寒地区~山地~大面积水域的国土面积占有相当大的比例 气象条件十分复杂 飞机结冰现象比较常见G 而且随着我国航空事业的发展~飞行密度的提高和对全天候飞行的需求 飞行中遇到结冰气象的几率将大大地增加G 根据以前的教训 应该对飞机结冰问题的研究给予高度的重视 了解飞机结冰的条件~机理 并对结冰导致飞行性能~飞行品质的变化有明确的认识和把握G1飞机结冰机理飞机结冰是指飞机表面某些部位聚集了冰层的现象G 如图1所示:t =0时刻 大气静止(忽略大气扰动) 大气中含有相当数量的过冷水滴 且假设两者相对静止G 飞机以U O 飞来 在机体系上观察 空气和过冷水滴一起以U O 流向飞机G 空气受到飞机的扰动 流动发生变化 因此空气与过冷水滴产生相对运动G 因为空气有粘性 所以空气对水滴有摩擦力的作用 从而改变了水滴的运动轨迹 但由于过冷水滴的惯性比空气要大 不能像空气那样完全的绕过飞机 从而撞击在飞机表面上立即冻结 发生结冰G 由于结冰改变了飞机的气动外形 对飞机的飞行性能~稳定性和操纵性都产生一定的影响G图1飞机结冰过程示意图2结冰对飞机的影响(1)失速特性当机翼表面结冰以后 临界迎角下降 失速速度增大G 这是因为机翼气动外形遭到破坏:气流绕前缘冰角流动时 速度迅速增大 前缘处上翼面压力下降得更低 且在冰角后流动脱体 形成前缘气泡 严重时在冰角后即分离 破坏了整个翼形的流动 使升力下降 在较小迎角下气流即分离 造成飞机失速 图2为NLF -04l 4翼形结槽形冰以后流场速度分布(白色为结冰后翼形形状 速度分布由红(浅)到蓝(深)速度依次降低[l ]) 图3为结冰后升力系数曲线的变化[2](Ma =0.29 Re =6.4>l06) 一般情况下 失速速度增加l0%~20%图2翼型结冰后的绕流图画图3翼型结冰后的升力系数曲线(2)起飞性能飞机在带冰条件下起飞时 离地速度~滑跑距离~滑跑时间~达到安全高度的时间和水平距离都增加 起飞爬升困难 这是因为:结冰使飞机的升力系数减小 原来的起飞速度不足以使升力和重力平衡 必须增加速度才能使飞机起飞;升力减小~飞机重量增大使得地面支持力增加 从而增加了地面的摩擦力 并且阻力也增加 这就减小了起飞的加速度 使滑跑距离~时间都增加;起飞空中段飞机迎角很大 而速度很小 这使得飞机很容易失速 在由于结冰造成的飞行事故中 起飞阶段约占33%(3)爬升性能在结冰条件下 飞机的爬升率~爬升角下降 上升经过的水平距离增加 这是因为:结冰使飞机的阻力增大 如果发动机结冰则可用推力减小 即剩余推力减小 使得飞机爬升困难 如果爬升距离比较长的话 飞机十分容易坠毁(4)续航性能在结冰条件下 飞机的航程~航时~活动半径都要减小 这是因为:飞机的阻力增加~升力减小 在相同的飞行条件下 就要求加大发动机推力 这就增加了发动机的耗油率 不利于续航 对于民航飞机来说 经济性就变差了(5)着陆性能飞机带冰着陆 着陆速度增大~着陆滑跑距离~时间增大 平尾配平困难 这是因为:失速速度的增加 使得着陆速度呈线性增加;近似认为滑跑减速为匀减速运动 则着陆滑跑距离~时间都随之增加;由于着陆速度大 并且平尾也有可能结冰 平尾配平比较困难 操纵杆力增加 如果为了减小着陆速度而增加升力 放下襟翼 则平尾处的下洗更加严重 产生附加的抬头力矩 在飞机因结冰造成的事故中 着陆阶段占总数的33%(6)发动机性能发动机积冰使飞机需用推力增大~发动机的可用推力减小~工作性能变差~易喘振 这是因为:进气道积冰时 改变了原先流线型的外型 发动机附加阻力增大;结冰改变了发动机进气道和压气机通道内的气动特性 空气流量减小 进气的流动特征发生变化 产生的推力减小;使气流速度场分布不均 产生涡流 改变了发动机的喘振边界线 影响发动机的正常工作 如果发动机喘振 由于振动原因致使冰层~冰块脱落 随气流进入发动机内 打坏打伤叶片 有可能对发动机造成致命的损害 使其空中停车(7)稳定性飞机结冰后 纵向~横航向的静稳定性和动稳定性都受到相应的影响 由于飞机结冰后改变了翼形的气动外形 因而改变了翼形焦点的位置;并且结冰改变了飞机的质量分布 对质心的位置也有一定的影响 这两项都会改变飞机的纵向静稳定性 结冰后气动外形的变化也改变了飞机纵向的各个气动导数 这使得飞机的纵向动稳定性发生了变化 响应的时间~峰值都有变化 但具体变化多少 要根据不同的飞机及其结冰状况来确定 结冰后横航向稳定性的变化与纵向稳定性有相似之处 但具体哪项指标发生变化 则要根据实际情况(飞机自身参数~结冰程度)来确定(8)平尾失速特性平尾结冰时 临界迎角减小 操纵效率下降 产生非操纵性的低头力矩 这是因为:结冰改变了平尾的气动外形 在速度较大~较小负迎角时 气流即分离 而且机翼的下洗作用更强 平尾处的洗流角增大 有效迎角减小(9)操纵性操纵面结冰后 操纵的杆力~操纵的效率都会发生变化 而且有时操纵面的缝隙结冰 不仅降低操纵56第3期钟长生等.飞机结冰引起的飞行动力学问题探讨效率9严重时会出现卡死现象9使操纵性能完全失效O 飞行试验表明Z 飞机结冰会导致升降舵的杆力增加9但不会影响飞行员对杆力的操纵感受9当飞行速度偏离配平速度时9驾驶员有明显的杆力变化感受O 图4为 12- 型飞机试飞时9结冰对升降舵操纵力的影响(S j =0 D 3]O 图中9P Z 为驾驶杆力9U 为飞行速度O3算例和试飞数据图4结冰对升降舵操纵力的影响(1D 性能12- 型飞机结冰对失速速度和着陆性能的影响如表1~表2所示 3]O 表中9S 为机翼表面的结冰厚度O表1结冰对失速速度的影响(S j =0 D冰型m /kg U s /km h -1C lmax Ah /m P Z / 无冰5000133.5 1.70120*140-206自然结冰(S =20mm D 5000145.0 1.44180*200-294临界冰型(S =63mm D5000149.01.36208*262-363表2结冰对着陆性能的影响(S j =0 D冰型m /kg P Z / S Z /( D U TD /km h-1无冰5000-98*-147-8139自然结冰(S =20mm D 5000-98*-167-6*-13151自然结冰(S =50mm D 5000-176*-265-7*-15159自然结冰(S =63mm D5000-118*-186-6*-12166(2D 稳定性能选用的飞机为DHC -6(双水獭D 多用途短距起降运输机O 计算得到飞机的时间历程如图5所示O图5飞机各个状态变量的时间历程(注Z 虚线表示结冰后9实线为未结冰D(3D 操纵性能双水獭飞机各气动导数见表3 4]O表3各个气动系数对操纵面的导数结冰情况C ZSe K C mSe CST C ZSO C ZST C HST C HSO 未结冰-0.6080.052-1.7400.150-0.1500.0150-0.12-0.001结冰后-0.5500.057-1.5660.138-0.1350.0138-0.11-0.00166飞行力学第22卷4结果分析由第3节(1)可知9结冰使失速速度变大~最大升力系数减小9结冰对飞行性能产生十分不利的影响9使飞行性能指标变差S由第3节(2)可知9结冰使部分的状态变量在时域的响应变差9使得超调量变大9响应时间变长9如滚转角S但也有部分状态变量的超调量变小9如偏航角速度9因此不能简单地断定结冰对稳定性的影响是好是坏9而是要根据结冰对气动导数的影响来具体地分析问题S由第3节(3)与第2节(9)可知9结冰使得操纵力增加9操纵的效率降低9使操纵性变差G综上所述9结冰后飞机的气动系数~气动导数有一个增量(可正可负)9从而使飞机的性能~品质有了不同程度的变化9飞行力学方程的结构无变化G设C A为某一个气动系数(导数)9则结冰以后C/A可表示为[5 :C/A=(1+K)C A G 式中9K为比例系数9可解耦为K=Katm K plane9其中Katm为外界气象因素的影响9Kplane为具体飞机对水滴的收集特性9即飞机容易结冰与否的一个标志GK atm=K atm(大气温度~液态水含量~水滴直径~云层范围 )K plane=K plane(速度~迎风面积~翼形~后掠角~布置形式 )这样9以后在研究结冰问题时9可以分开考虑飞机和大气环境对飞机结冰的影响9以便采取不同的对策G5讨论与建议(1)结冰相似理论即ACA的来源问题G根据气象条件~飞机参数估计结冰对气动系数导数的影响9固然可以通过试飞和风洞实验获得数据9但不仅试飞的费用十分高(一小时结冰的数据9可能要飞几十个小时)9而且9在要进行试飞之前的理论估算以及分析试飞中将要出现的问题时9则无先验的数据可利用G要分析飞行力学中的问题9气动数据的获得是最根本的G根据物理现象的相似性9可根据以往已有的实验和试飞结果9通过相似分析的量纲9来计算未实验飞机的气动系数和导数9目前美国已用神经网络的方法获得了一定的成果G(2)失速问题飞机失速(包括平尾失速)是事故发生最多的~对飞机危害最大的问题9应该单独地拿出来予以分析研究9研究应根据结冰形状进行气动分析9并从稳定性理论(全局稳定和局部稳定)来探讨失速的机理9并给出相应的控制规律G(3)控制规律设计飞机结冰后性能~品质等均有一定的变化9例如:各个状态变量在时域的响应均有不同程度的变化9可设计增稳回路9或其他控制规律使飞机保持原有的安全性~稳定性~舒适性G从第3节(2)的结果来看9飞机的稳定性变化约为10%~20%的量级9对飞机的影响不大9可设计增稳反馈回路9来减小动态响应的超调量~稳态时间9改善动态特性G因为结冰后飞机机翼~尾翼上的压力分布发生变化9铰链力矩的值也发生变化9可以此为信号来感受结冰的程度9传感到各个舵面9设计控制规律G(4)鲁棒性问题飞机结冰后9设计的参数发生偏差9特别是有不确定的偏差或输入9飞机是否能保持原有的稳定性9这是在工程实践中很重要的一个问题G(5)结冰逆问题在一定程度的结冰条件下9飞机能够承受9可以分析它的性能~品质变化问题9但是飞机能承受多大程度的结冰9安全的极限是多少9在一种结冰气象条件下飞机最多能飞多久9所设计的控制规律在多严重的结冰条件下还能够适用9这些问题同样是飞机设计和使用单位所关心的重要问题G(6)适航性问题飞机的设计和使用单位最终的目的是:飞机在结冰条件下的飞行是符合适航规定的9这样的飞行才是被认可的G因此9对<中国民用航空条例第25部运输类飞机适航标准>中与结冰关系密切的条例进行细致地分析9并根据相应的计算给出定量的结果9再与条例中的规定进行比较9才能得出合适的结论G参考文献:[1 Shim]9Chung]9Lee K D.A Computational Investiga-tion of Ice Geometry Effects on Airfoil Performances [R.AIAA-2001-054092001.[2 Harold E Addy9]r]ames]Chung.A Wind tunnelStudy of Icing Effects on a Natural Laminar FloW Air-foil[R.AIAA-2000-009592000.[3 于庆芳.Y12-I型飞机结冰对其飞行特性影响的试飞研究[].飞行力学91995913(2):63-70.[4 Bragg M B9Hutchison t9Merret]9et al.Effects of IceAccretion on Aircraft Flight Dynamics[R.AIAA Pa-76第3期钟长生等.飞机结冰引起的飞行动力学问题探讨per No.2000-0360,2000.[5]Pokhariyal D,Bragg M B,~utchison T,et al.Aircraft Flight Dynamics With Simulated Ice Accretion[R].A-IAA-2001-0541,2001.The Exploration of Flight Dynamics Problem on Aircraf t IcingZ~ONG Chang-sheng1,DU Liang2,~ONG Guan-xin2(1.Flzght TechnzGue and Auzatzon ngznee1zng ollege,zuzl Auzatzon Flzght ollegeo hzna,uanghan61307,hzna2.chool o Ae1onautzc S czence and Technolog y,AA,ez zng10003,hznaAbstract The performance,sta b ility and controlla b ility of an aircraft Were all affected after icing,in different degree.This paper expatiates on these effects and analy Z es the causes of them.The simulation and flight test results Were presented to illuminate the pro b lem.At last,the flight dynamics pro b lem on iced aircraft and future research Were analy Z ed.K ey W or d s aircraft icing flight dynamics sta b ility controlla b ility(编辑王育林(上接第63页参考文献[1]蒋维安.智能非线性PID控制器在高速导弹控制中的应用[D].西安西北工业大学,2003.[2]薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京清华大学出版社,1996.253-2 2.[3]atsuhiko Ogata.Modern Control ngineering(3rddition[M].卢伯英,于海勋译.北京电子工业出版社,2000.[4]周凤岐,强文鑫,阙志宏.现代控制理论及其应用[M].西安西北工业大学,1992.7 .[5]杨军.导弹控制系统设计原理[M].西安西北工业大学,1997.42.A N e W K in d of Intelligence-N onlinear-PID C ontrollerW ith Excellent Perf ormanceJ IANG W ei-an1,Z~OU J un2(1.Flzght TechnzGue and Auzatzon ngznee1zng ollege,zuzl Auzatzon Flzght ollegeo hzna,uanghan61307,hzna2.ollege o A S t1onautzc S,N o1th z e S te1n P ol y technzcal nzue1S zt y,X z an710072,hznaAbstract The paper presents a neW kind of V aria b le-structure controller With excellent per-formance,intelligence nonlinear PID(INPID controller.The simulation results of typical1st-order o bj ect and2nd-order o bj ect controlled b y classical PID,com b ined nonlinear PID and INPID controllers are compared.It indicates the excellent control performances and extremely Wide adapti V e capacity of INPID controller.Simulation on control of hypersonic-missile rigid-modelgi V es exciting results the more restrictions of control V aria b le b oundary or the more complex theo bj ect is,the more the ad V antages that INPID o V er con V entional PID.K ey W or d s control intelligence nonlinear PID simulation ro b ustness V aria b le-structure(编辑姚妙慧6飞行力学第22卷飞机结冰引起的飞行动力学问题探讨作者：钟长生， 杜亮， 洪冠新作者单位：钟长生(中国民航飞行学院,飞行技术与航空工程学院,四川,广汉,618307)， 杜亮,洪冠新(北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100083)刊名：飞行力学英文刊名：FLIGHT DYNAMICS年，卷(期)：2004,22(3)被引用次数：9次1.Shim J;Chung J;Lee K D A Computational Investigation of Ice Geometry Effects on Airfoil Performances 20012.Harold E Addy;Jr James J Chung A Wind Tunnel Study of Icing Effects on a Natural Laminar Flow Airfoil 20003.于庆芳Y12-Ⅱ型飞机结冰对其飞行特性影响的试飞研究[期刊论文]-飞行力学 1995(02)4.Bragg M B;Hutchison T;Merret J Effects of Ice Accretion on Aircraft Flight Dynamics 20005.Pokhariyal D;Bragg M B;Hutchison T Aircraft Flight Dynamics with Simulated Ice Accretion 20011.郭龙.沈宏良.施永毅.Guo Long.SHEN Hong-liang.SHI Yong-yi飞机容冰技术的研究进展[期刊论文]-飞行力学2005,23(1)2.李林.王立新.彭小东结冰对民机飞行性能的影响研究[期刊论文]-飞行力学2004,22(3)3.蒋天俊结冰对飞机飞行性能影响的研究[学位论文]20084.杜亮.洪冠新.DU Liang.HONG Guan-xin结冰对飞机飞行包线影响分析及控制[期刊论文]-飞行力学2008,26(2)5.钟长生.洪冠新飞机翼面结冰对飞行特性影响的研究[期刊论文]-航空科学技术2004(3)6.袁坤刚.曹义华.YUAN Kun-gang.CAO Yi-hua结冰对飞机飞行动力学特性影响的仿真研究[期刊论文]-系统仿真学报2007,19(9)7.倪亚琴飞机结冰的危害和解除[期刊论文]-国际航空2004(3)8.邢霞.施永毅大展弦比飞机翼面结冰冰型选取[期刊论文]-民用飞机设计与研究2007(2)9.钟长生.王立新结冰对飞机动力学特性影响的分析方法及其进展[期刊论文]-飞行力学2004,22(4)10.王明丰.王立新.黄成涛.Wang Mingfeng.Wang Lixin.Huang Chengtao积冰对飞机纵向操稳特性的量化影响[期刊论文]-北京航空航天大学学报2008,34(5)1.梁青森.陈维建.马辉.张大林微引射热气除冰腔引射性能分析[期刊论文]-南京航空航天大学学报 2013(3)2.吴荣兴.胡海柯表面波飞机结冰传感器的研究[期刊论文]-压电与声光 2011(5)3.罗茜.王亚莉飞机结冰对于飞行安全的重大危害分析[期刊论文]-科技视界 2012(20)4.许杰降水对飞行安全的影响[期刊论文]-科技传播 2014(1)5.周莉.徐浩军.杨哲.蔡军冰脊对翼型气动特性影响的数值模拟研究[期刊论文]-飞行力学 2012(6)6.蒋天俊.张强.张建不同冰型对飞机机翼气动性能的影响[期刊论文]-硅谷 2010(17)7.张强.刘艳.高正红结冰条件下的飞机飞行动力学仿真[期刊论文]-飞行力学 2011(3)8.钟长生.王立新结冰对飞机动力学特性影响的分析方法及其进展[期刊论文]-飞行力学 2004(4)。

⑥
２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｒ ０ ２ ｃ ｅｈ Ｅ ｇｇ ． ．
径 向载荷分布对螺旋桨气动 性 能影 响 的计算 研 究
刘 瑞 涛 高永 卫 魏 闯
（ 西北工业大学翼型叶栅空气动力学 国防科技重点实验 室， 西安 ７０ ７ ） １０ ２
摘
要
通 常认为螺旋桨 叶片的径 向载荷分布对于螺旋 桨的气 动效率有较 大影响 。但 是， 通过 对 比三种典 型径 向载荷 分布
ｐ ｑ—ｑ ）＋ｐ ｚ ｗ（ ６ ｌ ｐ ｑ—ｑ ）＋ｐ ６ Ｈ（ ６ 口
０
０
研究 的三 个 螺 旋 桨 在 设 计 点 具 有 相 同 的 拉 力 系 数 和使 用相 同的 翼 型 剖 面 （ 在 螺旋 桨设 计 点 上 ， 且 每
ｐＥ
个叶素的工作迎角均为最大升阻比迎角） 。
Ｔ ＋ Ｔ ｒ ＋ Ｔ ｌ Ｉ Ｉ Ｚ
螺旋桨 的气动性 能， 发现只要合 理选择 翼型及 工作迎 角， 载荷分布的不 同不太影 响螺旋桨 的效 率。采用 求解 三维 Ｎ Ｓ方程确 — 定桨 叶各 叶素的气动性 能， 并根据设定的载荷 分布进行剖 面迎角调 整的方 法研 究。结果表 明 ： 如果采用调 整方 法， 螺旋桨 在 设 计 中不必重点研 究载荷分布 的问题 。 关键词 螺旋 桨 非结构 网格 径 向载荷分布 气动设计 数值模拟
式 （ ） ｗ是状 态矢 量 ， １中 日为无 黏 （ 流 ） 矢量项 ， 对 通 为 黏性 （ 散 ） 耗 通矢量 项 ， 项具 体表 达式 如下 。 各
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