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。     

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,并进行试验验证.研究结果表明：所建立的动力学模型计算复杂度在可接受的范围内,推力计算值与测试值在一定转速范围内基本吻合,并可很好地反映出共轴双旋翼推力损失趋势.     

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.     

涵道共轴双旋翼前飞气动特性与试验优选设计

采用Fluent软件对涵道共轴双旋翼的前飞气动特性进行数值模拟研究,分别得出涵道双旋翼的升力、阻力和俯仰力矩随涵道前倾角、上下旋翼相对间距和来流速度的变化曲线. 针对影响涵道共轴双旋翼升力的3个主要因素及其常用取值范围,采用正交试验法,以涵道前倾角α、上下旋翼间距H和来流速度v为试验因素,总升力F_L为试验指标,设计25组试验,利用极差分析法对试验结果进行计算. 结果表明:上述因素在取值范围内的变化对涵道共轴双旋翼总升力的影响程度的主次顺序为:上下旋翼间距,涵道前倾角,来流速度. 最后,根据试验结果选定最优方案.      

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。     

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.     

风速对小型旋翼无人机螺旋桨的影响分析

为研究风速对小型旋翼无人机的气动特性的影响,在中国民航大学风洞试验室模拟不同来流下无人机的飞行状态,通过动力测试系统测量螺旋桨的拉力、扭矩、系统效率、桨力效等参数,并分析了风速对螺旋桨性能参数的影响。并进行了计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟,计算了T-MOTOR直径558 mm的碳纤维螺旋桨,并与试验结果进行对比验证模型的有效性。通过试验与数值模拟分析风速影响下小型旋翼螺旋桨不同风速与不同转速的参数变化。结果表明,数值模拟与风洞试验具有一致性,其中扭矩误差在5%以内,拉力误差在13%以内,且风速对小型旋翼无人机动力系统参数具有极大的影响,对无人机飞行的安全性具有严重的威胁。通过研究可为小型旋翼无人机的优化与风速对适航安全提供参考。