螺旋桨/旋翼的气动特性分析

摘要

螺旋桨和旋翼均属航空飞行器中重要的动力部件，一个广泛应用于无人机上，一个属直升机所特有。无人机以其体积小、成本低和易操控的特点得到世界各国的普遍重视，在军用和民用领域得到大力发展，表现为种类繁多、数量庞大。无人机大都采用螺旋桨产生驱动力来飞行，主要看中其低油耗的特点。当前，军用无人机的一个发展趋势为高空长航时化，传统的螺旋桨不再适用该种无人机，需要对螺旋桨的气动特性进行研究，为高空长航时无人机选桨提供依据。直升机旋翼的气动特性直接影响着其飞行性能，旋翼气动特性通常分为悬停和前飞两种状态来考量，通过研究其流场特性来反映旋翼的品质。 本文基于Fluent软件对螺旋桨和旋翼的三种类型流场进行仿真，采用Pointwise软件对计算域进行网格划分。对螺旋桨和旋翼悬停流场按定常处理，旋翼前飞流场按瞬态处理。螺旋桨流场因来流和转速较低作不可压假设，利用离散求解法求解；旋翼的两种流场因桨尖气流的压缩效应用耦合求解法求解。考虑到前飞状态旋翼的复杂运动，应用了UDF控制下的动网格技术描述其运动规律。最终根据三种流场的特性分别建立了适合其特点的数值模拟方法并进行求解。 对每种数值方法都进行了实验结果或实验算例的验证，证明了方法的可靠性。然后依据建立的数值模拟方法进行流场求解，研究结果表明：（1）一定来流下，存在一个最佳的桨叶角和与之对应的最佳转速使得螺旋桨的效率达到最大值；（2）悬停状态下，改进桨的品质优于基本桨，在于其在几何外形上几个方面的改进，包括桨宽加大并配合桨尖尖削、桨尖前缘后掠适当提前和桨尖下反角的应用；（3）前飞状态下，桨叶的气动载荷在方位角上不对称，且随桨叶转动不断变化，后行桨背风面逆压梯度大，前行桨负压峰值和逆压梯度均较小，前行桨和后行桨的桨尖涡发展分布也不同。 本文建立了螺旋桨和旋翼三种流场的数值模拟方法并研究了每种流场下螺旋桨或旋翼的气动特性，基本上涉及了螺旋桨和旋翼的典型工况气动特性考察，对以后继续深入研究螺旋桨和旋翼的气动特性提供了借鉴和参考。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 无人机的发展简介

1.1.2 直升机的发展简介

1.2 国内外研究概况

1.2.1 螺旋桨/旋翼的发展

1.2.2 螺旋桨基本研究方法

1.2.3 螺旋桨/旋翼数值模拟方法研究进展与现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 气动特性数值模拟方法

2.1 计算网格技术

2.1.1 非结构网格使用方法

2.1.2 二维翼型结构网格划分

2.1.3 三维桨叶结构网格划分

2.2 数值计算模型

2.2.1 流动控制方程

2.2.2湍流模型

2.3 数值计算方法

2.3.1 分离式求解法

2.3.2 耦合式求解法

2.4 Fluent的UDF应用

2.4.1 UDF简介

2.4.2 采用UDF的动网格控制

2.5 本章小结

第三章 螺旋桨气动特性研究

3.1 引言

3.2 螺旋桨的工作原理

3.3 实体建模

3.4 网格划分

3.5 计算方法

3.6 数值结果及分析

3.6.1 计算工况

3.6.2 网格无关性验证

3.6.3 实验验证

3.6.4 气动特性

3.7 本章小结

第四章 直升机旋翼悬停状态气动特性研究

4.1 引言

4.2 实体外形

4.3 网格划分

4.4 计算方法

4.5 计算方法验证

4.6 数值结果及分析

4.6.1 两桨品质特性比较

4.6.2 几何外形对旋翼流场及性能的影响

4.7 本章小结

第五章 直升机旋翼前飞状态气动特性研究

5.1 引言

5.2 前飞状态算例选取

5.3 网格划分

5.4 计算方法

5.5 动网格的设定

5.6 计算结果对比及分析

5.7 本章小结

第六章 工作与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢