农用无人旋翼机旋翼系统气动分析与试验研究

摘要

粮食的安全生产是我国农业可持续发展的重要基础，是国家强盛的有力保障。近年来病虫害发生频繁，对农作物的产量与质量造成了严重影响。能够及时有效的喷洒农药是防治病虫害发生的重要措施，因此植保作业是农业生产的重要环节。传统的农业植保模式劳动强度大，作业成本高，资源利用率低，作业人员中毒事件时常发生，已经不适应现代农业发展模式。无人机航空植保作业飞行高度低、药物漂移少、灵活性强，现在越来越受到政府与百姓的青睐。无人旋翼机的旋翼通过相对来流作用进行自转，产生升力，具有载重量大、低空性强、造价低廉、结构简单、操控便捷、故障率低、安全性高等特点，因此无人旋翼机更能适应农业航空植保作业要求。研究旋翼机旋翼系统气动特性对于无人旋翼机后期研制开发和其在农业上的应用具有重要意义。
　　本文在介绍旋翼机研究背景及其特点的基础上，对旋翼系统预转与自转进行理论分析，利用计算流体力学方法对预转旋翼流场进行模拟仿真分析，并对旋翼进行预转和自转试验研究，主要工作内容如下:
　　(1)从运动学和动力学两方面对旋翼系统工作机理进行分析，建立自转旋翼数学模型，分析了预转与自转工作状态下不同工作参数对旋翼气动特性产生的影响。
　　(2)利用GAMBIT软件对旋翼流场划分网格，导入CFD软件FLUENT中，选择标准的k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，对旋翼预转时周围流场分布情况进行数值模拟分析。结果表明:旋翼上下表面压力差随着桨距角和前倾角的均增大呈现先增后减的趋势，随着转速的增大呈现递增的趋势。
　　(3)以桨距角、前倾角、转速为试验因素，预转升力、消耗功率为试验指标进行了单因素和多因素试验。结果表明:各因素对试验指标的影响是显著的，各因素交互作用是对预转升力和消耗功率影响的主次顺序均为:转速＞桨距角＞前倾角。优化出各因素的最优组合，即:桨距角8°，前倾角3.5°，转速390r/min。
　　(4)对旋翼进行自转试验，拟合出各因素与试验指标的数学模型，分析交互作用时各因素对两个试验指标影响作用的大小关系，均为:风速＞桨距角＞后倒角。对各因素进行优化分析，得到最优组合:桨距角9.5°，后倒角7.5°，风速8m/s，并利用试验验证其可信度。
　　综上所述，通过对无人旋翼机旋翼系统进行理论分析和数值模拟，最后进行试验验证，揭示了旋翼系统的气动特性，为后续无人旋翼机的研制开发和操控提供参考。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究的目的与意义

1．2 旋翼机的研究现状

1．3 国内外旋翼系统气动特性的研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 研究的主要内容及技术路线

1．4．1 研究的主要内容

1．4．2 研究的技术路线

2 旋翼系统气动特性研究

2．1 无人旋翼机的工作原理

2．2 旋翼工作机理分析

2．2．1 旋翼运动学分析

2．2．2 旋翼动力学分析

2．2．3 旋翼气动特性分析

2．3 本章小结

3 旋翼流场的数值模拟仿真

3．1 计算流体力学简介

3．2 数学模型

3．3 数值离散方法

3．4 网格的划分

3．4．1 网格划分方法

3．4．2 计算域的确定

3．4．3 网格的生成

3．5 边界条件的设置

3．6 结果与分析

3．6．1 桨距角的影响

3．6．2 前倾角的影响

3．6．3 转速的影响

3．7 本章小结

4 旋翼系统预转试验研究

4．1 试验装置的设计

4．2 试验仪器与方法

4．3 旋翼预转单因素试验

4．3．1 桨距角对预转升力的影响

4．3．2 前倾角对预转升力的影响

4．3．3 转速对预转升力的影响

4．3．4 桨距角对消耗功率的影响

4．3．5 前倾角对消耗功率的影响

4．3．6 转速对消耗功率的影响

4．3．7 单因素试验分析总结

4．4 旋翼预转多因素试验

4．4．1 试验设计

4．4．2 试验方案及结果

4．4．3 预转升力的影响分析

4．4．4 消耗功率的影响分析

4．4．5 优化分析

4．5 本章小结

5 旋翼系统自转试验研究

5．1 试验设计

5．2 试验方案及结果

5．3 自转升力的影响分析

5．3．1 自转升力的方差分析

5．3．2 各因素交互作用对自转升力的影响分析

5．4 稳定转速的影响分析

5．4．1 稳定转速的方差分析

5．4．2 各因素交互作用对稳定转速的影响分析

5．5 优化分析

5．6 本章小结

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文