《直升机旋翼桨叶气动干扰》
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[摘 要]直升机在正常飞行过程中,其旋翼桨叶会处于一个复杂且非定常的涡流场中,在该涡流场中,旋翼形成的尾迹会对直升机的运行造成影响.当旋翼产生的尾迹贴近机身上方或对机身产生冲击时,旋翼和机身之间会出现严重的气动干扰,进而影响直升机的飞行品质、运行性能等.因此,深入研究直升机旋翼桨叶的气动干扰问题对直升机设计和安全飞行有很重要的意义.
[关键词]直升机；旋翼桨叶；气动干扰
中图分类号：P635 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0196-01
引言
直升机旋翼桨叶与机身之间的气动干扰是一个涉及三维空间非定常流动的复杂问题,目前,直升机正朝着整体布局紧凑、桨叶盘载荷大、灵活性和机动性更高的方向发展,所以机身与旋翼桨叶之间会产生更大的气动干扰.机身对旋翼具有重要的干扰影响,这种干扰影响不仅包括机身对旋翼入流的直接诱导作用,同时还会改变旋翼的尾迹形状,因而间接地改变了旋翼的入流分布.
1旋翼系统的工作原理
与固定翼飞机定常飞行时,机翼处于稳定状态不同；当直升机定常前飞时,旋翼桨叶各处的运动参数处于振荡状态.因此,全面了解旋翼桨叶的工作原理对准确研究旋翼系统特性和旋翼尾迹结构至关重要.桨叶的挥舞运动若旋翼的桨叶固接在桨毂上,在斜流状态,由于桨叶在旋转平面内相对气流的不对称,必然引起左右两边气动载荷的不对称,前行桨叶拉力大,后行桨叶拉力小,因而形成侧倾力矩使直升机倾转.另一方面,在周期性变化的周向气流下,气动载荷对桨叶形成交变弯矩,桨叶在这种交变弯矩作用下容易发生疲劳损坏.
1.1桨叶的摆振运动
当桨叶的一面以稳定的角速度绕轴旋转时,另一面桨叶会做出挥舞动作,该面桨叶的质心会时而靠近旋转轴时而远离旋转轴,所以导致桨叶的惯性矩发生变化.此时,由于角动量守恒因素的影响,桨叶的角速度就应该发生变化,否则桨叶在旋转过程中产生交变弯矩,进而影响桨叶结构的寿命.桨叶角速度的变化形成了桨叶绕摆振铰在旋转平面内的前后摆动,称为摆振运动,桨叶摆振角记为ξ,向后为正.
1.2桨叶的变距运动
变距运动是旋翼绕轴旋转过程中,桨叶的又一个重要运动.与挥舞运动不同,变距运动完全由人为操纵产生.通过周期地改变桨叶桨距,使旋翼拉力的大小和方向改变,从而实现直升机的飞行操纵.从物理意义上理解,变距与挥舞是等效的.
2直升机流场计算网格生成
计算域采用的非结构网格由两部分组成：一是包围桨盘的密网格,二是整个流场的背景网格.首先要确定计算流场的大小.为了减少边界对流场内部的干扰,网格的计算域应尽可能地取大.但计算域越大,网格数量就越大,对计算机资源的要求也就越高,计算需用的时间也会相对延长.而且当计算域增大到一定程度后,计算域的尺寸对计算精度的影响并不明显.在考虑到计算资源的限制以及保证计算精度的同时,选取10L×7L×7L（L为机身长度）的长方体为计算域.为了提高网格的生成质量,在机身外形变化剧烈的地方（如ROBIN机身表面的凸台前后位置处）采用了网格加密处理技术.
3直升机流场网格生成的步骤和流程
直升机旋翼/机身/尾面干扰流场网格生成的具体步骤如下：
第一,应用CAD软件进行直升机的实体建模；
第二,将直升机的实体模型导入到网格生成软件；
第三,对机身表面生成面网格,在机身外形变化剧烈的地方采用网格加密处理技术；
第四,在直升机桨盘处生成面网格,以方便添加动量源项；
第五,对包围旋翼范围的实体进行网格的填充,提高网格精度；
第六,对剩余流场区域进行网格填充,由遠场到机身表面采用由疏网格到密网格的分布；
第七,检查网格质量,将合格的网格文件输出.
4计算及分析
直升机流场计算网格建立完成之后,工作人员需要对机身上的压强分布、桨叶通过效应引起的机身非定常压强以及单独旋翼的流场进行计算,文章以Maryland大学采用的旋翼/机身干扰试验模型为例,对该模型机身上分布的定常压强和贴近涡面引起的非定常压强的分布情况进行了计算,同时还需要计算机身上的气动载荷等参数.
4.1机身上的定常压强
图1是沿该机身顶端线的定常压强分布,为了直观地显示干扰引起的机身上的压强分布的变化,图中同时示出了单独机身状态的压强分布.可以看出,文章分析模型在机身前部和机身的尾部比较准确地预测了压强分布,但在机身的中部预测值与试验值相差较大.这主要是由于Maryland组合模型中,机身的上方安装了具有复杂结构的桨毂（x/FL≈0.25）,气流流过桨毂和旋翼轴时发生分离.
压强分布和试验值的对比
4.2机身上的非定常压强
图2是桨叶的扫过效应引起的机身上的非定常压强分布和试验数据的对比.文章着重计算由尾迹/机身的贴近干扰在机身上引起的非定常压强.
压强分布和试验数据的对比
当出现贴近涡面干扰时,旋翼尾迹产生的涡流线是贴近机身表面扫过的,但并没有与机身接触.从位于机身顶端的计算点的计算情况来看,这一情况比较符合,此时产生的实验结果曲线与计算结果曲线的形状基本一致,但存在一个相位差,这可能是由于桨尖涡位置的预测不准引起的.而且,在这些点上,压强分布的形状均呈现规则的锯齿形.这也表明了在发生贴近涡/面干扰的这些点上,旋翼尾迹引起的非定常项占主导地位.
结语
经过对直升机旋翼桨叶气动干扰问题进行研究得出以下结论：第一,旋翼桨叶尾迹与机身表面的贴近干扰引起的非定常压强具有周期性的特点,实验结果与计算结果基本一致,但在机身侧面的计算点中出现了一个相位差；第二,干扰状态机身的气动载荷随着前进比的增加迅速减小,对于给定的前进比,气动载荷随着单位桨叶面积拉力系数的增加而增加.
参考文献
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直升机旋翼桨叶气动干扰引用文献:
[1] 直升机旋翼桨叶气动干扰论文范文 直升机旋翼桨叶气动干扰类学士学位论文范文5000字
[2] 无人机和四旋翼自考毕业论文范文 无人机和四旋翼毕业论文怎么写2万字
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