含升力偏置的共轴刚性旋翼配平与响应分析

建立考虑升力偏置的共轴刚性旋翼气弹配平计算方法。在单旋翼气弹计算方法基础上,引入考虑双旋翼气动干扰的入流模型,针对大反流区气动力计算和大前进旋翼气弹配平计算进行相应修正,最终集成考虑升力偏置的共轴刚性旋翼气弹配平计算方法,并开展考虑升力偏置的共轴双旋翼气弹配平分析。分析提前操纵角、升力偏置、前进比因素对双旋翼配平和响应的影响,研究表明在中等前进比时,下旋翼拉力略大于上旋翼,气动效率优于上旋翼。大前进比下桨尖响应曲线呈现2阶特性而增加升力偏置使得响应曲线逐渐为1阶曲线变化,且提前操纵角对双旋翼操纵和桨尖间距均无影响。     

共轴八旋翼飞行器气动特性三维数值模拟分析

以周向均布四组共轴单元组成的八旋翼飞行器为研究对象,采用计算流体力学的方法,通过商业软件FLUENT对整机飞行器进行数值模拟研究,得到旋翼附近流场的涡流粘度云图、压力云图和流线图. 由结果分析可知,采用单相流模型及Spalart-Allmaras湍流模型可以有效地模拟该共轴八旋翼在工作转速下的气动特性. 当旋翼旋转时,靠近旋翼壁面的流速明显变快,并在旋翼横截面曲率最大处达到最大值. 由于上旋翼尾迹的影响,压差大的区域主要集中在旋翼桨尖附近,此时流线分布也表明共轴上下旋翼之间以及相邻共轴旋翼单元之间存在强烈的气动干扰,这部分干扰可能有利于提高整机升力.     

涵道式飞行汽车新型结构的气动性能数值模拟

在研究国内外飞行汽车优势与局限性的前提下,结合共轴反转双旋翼直升机升力大、续航中等以及多旋翼飞行器控制精度高的特点,通过目标设定、方案罗列、理论分析等步骤,提出一种区域适应性更强的涵道式飞行汽车新结构.与两种现有飞行汽车结构进行对比,探讨涵道式飞行汽车的结构及气动性能特点.气动性能数值模拟结果表明该飞行汽车结构值得继续研发与尝试.     

FL-52风洞Ф1.5m直径共轴刚性旋翼试验台研制

为满足国内高速共轴对转旋翼气动特性及流动机理风洞试验研究的需要,在中国航空工业空气动力研究院FL-52声学风洞开展了Ф1.5 m直径共轴刚性旋翼试验台的研制(简称共轴旋翼试验台)。该共轴旋翼试验台由试验台架系统和旋翼测控系统组成,通过一台高功率密度交流变频电机驱动上下旋翼同步反转,可实现旋翼主轴倾角、旋翼转速、旋翼总距及周期变距等同步精准控制功能。通过共轴旋翼试验台地面模态测试及动平衡调整,排除了试验台转速频率与固有频率的共振关联性;利用该共轴旋翼试验台开展1.5 m直径旋翼风洞试验。结果表明:在悬停和前飞状态下,配平策略合理,悬停状态上旋翼效率大于下旋翼,扭矩配平状态下,上旋翼拉力在总拉力中的占比变化不大。     

共轴双旋翼动力学建模与验证

建立共轴双旋翼动力学模型可用于共轴多旋翼飞行器的控制器设计、飞行模拟等研究,需要同时兼顾模型的计算实时性和精度.首先,基于伴随理论推导包含旋翼尾迹的全流场诱导速度计算模型.然后,在单旋翼有限状态入流模型基础上进行扩展,建立考虑尾迹倾斜的共轴双旋翼有限状态动力学模型.最后,推导共轴双旋翼悬停状态上下旋翼推力计算公式,并进...     

共轴刚性旋翼气动特性试验与分析

在航空工业气动院FL-52风洞开展了共轴刚性旋翼气动特性风洞试验,通过合理的操纵与配平策略,实现了共轴刚性旋翼配平,并对悬停、多种前飞状态下气动特性及升力偏置对旋翼操纵特性及性能的影响机理进行了研究。结果表明,试验取得了比较好的配平效果,桨毂力矩、合扭矩及升力偏置配平误差分别优于±2 N·m、±0.5 N·m、±0.01;悬停状态扭矩配平与非配平状态下,上旋翼效率都大于下旋翼;前飞状态升力偏置可有效提升大前进比时旋翼气动效率而小前进比时则并不明显,升力偏置的增大会使上下旋翼的桨毂滚转力矩大幅增加。     

涵道螺旋桨多工况设计

单一工况下设计的涵道螺旋桨通常不能满足垂直起降飞机的多工况高效需求。基于叶素动量理论可以开展涵道螺旋桨多工况设计,其关键在于不同工况下螺旋桨拉力占比、修正来流速度的计算。在无螺旋桨几何的情况下,采用动量源方法对涵道拉力进行估算,提出了修正来流速度的计算方法,基于最小能量损失原则建立螺旋桨几何,采用多重参考系方法进行耦合计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）修正,得到单一工况下弦长扭转角关系、螺旋桨拉力占比以及修正来流速度。通过改变设计升力系数及转速,使不同工况下涵道螺旋桨的弦长及扭转角相匹配。分析结果表明,动量源方法计算的涵道拉力占比较大,来流速度修正方法可减少相同工况下耦合CFD求解计算量。多工况设计可有效提高涵道螺旋桨的综合效率。     

基于动态嵌套网格技术的微型共轴式双旋翼流场的数值模拟

运用动态嵌套网格技术和双时间推进算法,对微型共轴式双旋翼的非定常粘性绕流进行数值模拟和研究.针对上、下两层旋翼间距离较小和流动粘性影响较大的特点,在动态嵌套网格技术的基础上引入滑移网格技术,保证了流动信息交换的准确性.首先,模拟低雷诺数下单旋翼的流动,结果与实验数据吻合较好,验证了算法的有效性;然后,利用该方法实现对微型共轴式双旋翼流场的数值模拟.结果表明,微型共轴式双旋翼流场中,桨尖涡起主要作用,其以螺旋方式向下运动,同时与周期性运动的旋翼相互作用,使得作用在旋翼上的总体拉力呈现出周期性的变化规律.     

垂直起降无人机涵道螺旋桨系统特性及计算方法研究

涵道风扇垂直起降无人机不同设计阶段对升力系统特性的精度要求也不同.为寻求具有一定可信度的涵道螺旋桨特性不同计算方法,在螺旋桨动量理论的基础上,通过引入轴向功率系数,建立了考虑气流旋向运动的涵道螺旋桨动量理论模型.分析了拉力比例因子等参数对升力系统总体特性的影响.在研究翼型大迎角特性的基础上,建立了以诱导速度为求解参数的涵道螺旋桨修正动量—叶素理论模型.基于非重合滑移网格技术,通过求解旋转参考坐标系下的N-S方程,进行了涵道螺旋桨非定常数值模拟.计算结果表明,基于修正后的动量-叶素理论计算结果更接近真实情况.在总体设计阶段可以提供具有一定可信度的涵道螺旋桨基本特性.数值模拟结果和试验结果较吻合,可以为详细设计阶段提供计算依据.     

变距旋翼无人机前飞气动性能分析与研究

新型旋翼气囊复合动力无人飞行器主要原理是借助四旋翼与空气静升力提供升力;在该无人机总体设计方案的基础上,对应用变距旋翼技术进行前飞驱动时的气动性能展开分析研究。对变距旋翼模型采用标准κ-ε湍流模型、RNG模式和主导漩涡流模式;并通过数值模拟研究不同转速、桨距角在前飞状态下的气动特性。同时在地面风洞试验台对在前飞状态下模型旋翼进行了试验研究;并且试验结果与计算结果基本吻合。得出该无人机在巡航状态下,螺旋桨转速在4 000 r/min,桨距角14°具有最佳的螺旋桨效率。为新型旋翼气囊无人飞行器的整体优化以及工程应用提供了参考依据。     

内插新型转子圆管的管内流阻和转子旋转特性

在已有螺旋转子结构的基础上,提出一种改进型转子结构,以便减小内插转子引起的阻力增加。对内插不同结构参数新型转子的管内流动阻力及转子旋转特性的实验结果表明:流速较低时新型转子即可旋转,转子转速与来流速度近似呈线性关系;转子叶片螺旋角对流动阻力及转速影响较大,正反旋向转子相间放置既可解决转子同向布置时沿流体流动方向转子转速逐渐减小的问题,又可使流阻进一步降低。通过合理选择转子结构参数,可使流动阻力比光管的仅增加2.5倍左右,远低于内插原有转子时的阻力增加。     

高速气流作用下两级飞行器动态分离过程研究

为研究超声速气流对分离过程的影响,开展了两级飞行器高速气流下动态分离过程的数值模拟,建立了高速气流环境下含空气阻力内弹道模型;基于嵌套网格技术,分析了不同高速气流来流速度及攻角下前级的气动与运动特性,得到了前级典型气动参数、动态分离速度及静动态分离速度差异变化规律.结果表明:在本文研究范围内,静动态分离速度差异在不同高速气流来流速度和攻角条件下变化明显.随高速气流来流速度增大,前级分离结束时刻的阻力系数、升力系数和动态分离速度减小,速度差异因子增大;随攻角增大,阻力系数、升力系数和分离速度增大,速度差异因子减小.      

陆空平台旋翼叶型参数气动性能多目标优化研究

陆空平台兼具旋翼无人机和无人车的特点,对各种室内外复杂作业环境均有较佳的适应性,但不同作业环境对旋翼的升力、悬停效率等气动性能的需求并不一致,单一叶型难以满足这种差异化需求.针对此问题,基于类函数/形函数方法,以伯恩斯坦多项式对翼型弦长、扭转角和旋翼前缘位置沿径向的分布进行了参数化表述,实现原旋翼叶型的三维参数建模重构,随后采用数值方法进行了关键叶型参数对气动性能的敏感性分析.计算结果表明,翼尖附近的弦长和扭转角对气动性能影响较大,且弦长和扭转角间存在明显的交互效应.据此以升力和品质因子为目标,对原旋翼叶型进行了多目标优化设计并进行了试验验证,试验结果表明,高升力叶型的旋翼升力系数提高了13.2%,高品质因子叶型的旋翼品质因子提高了37.8%,基于伯恩斯坦多项式与类函数/形函数方法结合的叶型三维参数化优化方法,能够有效提升旋翼升力或品质因子等气动性能指标.     

相同工况下叶片的不同周向弯曲对低压轴流风扇性能影响的对比分析

以低压轴流风扇叶片为研究模型,对不同周向弯曲叶轮的三维粘性流场进行了计算.通过对比分析,讨论了它们在气动性能上各自的特点,同时利用试验的方法对上述计算进行了验证.结果表明:计算值与试验测量结果吻合得较好;在相同工况下做比较发现,叶片适当的周向前弯虽然造成全压和效率有所下降,但却改善了上、下端壁附近的流动状况,延迟了流动分离的出现,大幅度拓宽了叶轮的稳定工作范围.通过综合的评价和分析,最后给出了改善叶轮性能的周向前弯角度范围.     

组合转子管式光生物反应器气液两相流混合特性模拟研究

通过Fluent流场分析软件对组合转子管式光生物反应器气液两相流混合特性进行模拟。以欧拉多相流模型、k-ε湍流模型为依据,分别对无内置转子光管、内置两叶片转子管、内置翼片转子管在多种倾斜角度下的速度云图、旋流数、气含率、气相速度、湍动能进行分析。结果表明：内置组合转子能够提高流体湍动程度,促进流体混合传质;翼片转子由于其特殊的结构能够显著增加管式光生物反应器中的气含率,提高气液两相间传质效果,传质效果相较于两叶片转子管和光管分别提高53.7%和26.5%;随着管路倾角由0°增大至90°,流体平均湍动能逐渐增加,内置组合转子后平均湍动能增加更加明显,与两叶片转子相比,翼片转子在0°和30°情况下混合传质效果更好。     

利用静压气体轴承进行特殊结构超导转子的静平衡检测

文中介绍的超导转子为不完整球形的空心薄壁转子,针对该特殊结构的转子,利用气浮法进行静平衡测量,对现有的气浮测量装置进行改进,设计了一套静平衡检测的工装以及检测方法. 该方法采用两个不同质量的工装与超导转子进行装配,使用静压气体轴承进行气浮,采用三点拾取法,通过高精度电涡流传感器测量不平衡方位的偏角,根据不平衡计算公式,得出转子不平衡量的大小和方位.      

单质量盘转子扭振的动频研究

在转轴以一定速度旋转的条件下,推导了考虑转动频率情况下的单质量盘转子扭振运动方程,通过有限元方法对不同几何结构的单质量盘转子在不同转动频率下的扭振固有频率进行了计算,对影响单质量盘转子扭振动频的动频系数进行了分析．分析结果表明,离心力的作用相当于使转子的扭转刚度增加,从而在不同程度上提高了转子的扭振固有频率,而在影响单质量盘转子扭振动频系数的因素中,动频系数与转子转速的平方及质量盘直径的平方成正比,而与质量盘厚度关系不大．由此结果得出了动频的计算公式,并在该计算公式的基础上提出了用于判断单盘转子是否需要考虑扭振动频的判定准则,该项工作对于旋转机械如何避开扭振固有频率的设计具有重要的指导意义．