直升機旋翼空氣動力學的發(fā)展

陶文強

摘 要：目前，旋翼動力學研究已經(jīng)取得了很大的進展，，但是離人們的期望水平仍有一定差距。隨著直升機的高、大型化發(fā)展，直升機旋翼空氣動力學問也會越來越突出旋翼的研究有著廣闊前景。

關鍵詞：直升機;旋翼空氣;動力學;發(fā)展

1 直升機旋翼空氣動力學特性

與固定翼相比，旋翼空氣動力學的復雜性主要包括：

旋翼所產(chǎn)生的尾渦結構比較復雜，始終在旋翼下方附近，主宰著整個流場，嚴重地改變了槳葉的有效迎角，從而影響旋翼的氣動性能;直升機在低速下降過程中，前行槳葉產(chǎn)生的槳尖渦會與后行槳葉產(chǎn)生葉渦干擾（Blade-Vortex Interaction，BVI） 現(xiàn)象;前飛狀態(tài)下，前行槳葉的相對速度較大，而后行槳葉的相對速度較小，后行槳葉為了獲得足夠的升力，必須工作在大迎角狀態(tài)，這樣很容易產(chǎn)生大分離流動，甚至動態(tài)失速;前行槳葉的相對速度較大，靠近槳尖區(qū)一般都會有激波產(chǎn)生，激波較強時會產(chǎn)生激波-附面層的干擾現(xiàn)象，并誘導邊界層發(fā)生分離;旋翼流場高低速并存，在跨音速態(tài)下，槳尖有激波產(chǎn)生，槳轂區(qū)為不可壓區(qū)。旋翼流動的這些復雜特征給旋翼流場的數(shù)值模擬帶來了很大的困難。

2 旋翼氣動理論

2.1 旋翼滑流理論

旋翼滑流理論或動量理論的起源可追溯到19世紀的船用螺旋槳的研究。20世紀初，Betz將動量理論擴展應用于飛機的螺槳。1926年，Glauert進一步將動量理論用于前飛中的旋翼，為旋翼動力學之始。動量理論采用均勻滑流的假設，把旋翼看成一個無限薄的槳盤，應用流體流動的基本定律來研究旋翼槳盤對氣流的作用。動量理論是一種宏觀上的分析，它的特點是計算模型簡單，主要用于旋翼誘導氣流及旋翼性能的初步估算，在直升機性能計算、總體參數(shù)選擇等分析中使用。動量理論的缺點是采用了誘速均與的假設，且不能涉及旋翼槳葉的幾何特性，因此，涉及槳葉幾何特性的旋翼動力學分析需考慮到槳葉葉素的氣動特性。

2.2 槳葉葉素理論

槳葉葉素理論最早由Drzew iwcki在19世紀末提出，是機翼升力線理論在旋翼槳葉中的應用。它把槳葉看成由無限多的槳葉微段或葉素構成。假設每個槳葉剖面作為一個二維翼型來產(chǎn)生氣動作用，通過誘導速度計入尾流（三維效應）的影響，因此在各槳葉微段上，可應用二維翼型特性確定槳葉剖面的氣動力和力矩，沿槳葉徑向積分可得一片槳葉進而整個旋翼的氣動力和力矩。旋翼的氣動性能取決于剖面的入流特性和升阻特性，而升阻特性與當?shù)仄拭嬗菑亩c當?shù)卣T導速度密切相關，因此，使用葉素理論確定旋翼氣動特性，當?shù)卣T速的計算是一個關鍵。可采用動量理論、渦流理論等計算誘導速度，后者能給出較準確的誘速分布。槳葉葉素理論為旋翼空氣動力學奠定了基礎，它涉及槳葉的細節(jié)流動和載荷，使旋翼性能與設計參數(shù)相聯(lián)系，可直接用于旋翼的設計中。但由于升力線是建立在機翼或槳葉高展弦比的假設之上，在槳葉載荷和誘導速度梯度過大的區(qū)域，例如槳尖附近和渦槳干擾的附近，升力線假設并不滿足，因而葉素理論在這些區(qū)域不是嚴格正確的。

2.3 旋翼渦流理論

廣義的說，旋翼渦流理論包括兩個問題，一是旋翼槳葉渦系的分析，二是旋翼尾跡的分析。旋翼尾跡要比固定翼的復雜的多，一直是旋翼渦流理論的關注重點。渦流理論的基礎是Joukowski在本世紀20年代前后建立的。進入50年代，渦流理論受到普遍重視。1961年，我國學者王適存考慮縱橫向渦線一般情況，推導了廣義渦流理論，為經(jīng)典渦流理論作出了貢獻。經(jīng)典渦流理論保羅槳盤渦系模型和槳葉渦系模型。前者旋翼被假設為具有無限片槳葉的槳盤，尾跡渦線連續(xù)的規(guī)整的不知在圓柱渦面上;后者則由有限片槳葉后拖出的螺旋渦線組成按來流速度和等效誘導入流確定其延伸方向的剛性尾跡。

2.4 旋翼流場計算的CFD方法

近年來，計算流體動力學CFD用于直升機空氣動力學研究取得了突出的成果。旋翼空氣動力學研究的復雜和困難集中表現(xiàn)在旋翼渦系和流場。旋翼渦系和流場包含了空氣動力學的多種復雜特征，如流場整體旋轉(zhuǎn)性、非定常非線性、三維效應、流場中的槳尖渦結構、渦槳干擾、后行槳葉局部區(qū)域氣流分離及前行槳葉槳尖跨聲速狀態(tài)等。80年代以來的研究表明，采用CFD方法能比較正確地給出旋翼在復雜運動情況下的非定常空氣動力特性，在計算直升機機身氣動特性方面有較高準確性，可以節(jié)省大量試驗。CFD方法在直升機上的應用剛剛開始，可以預計，在不久的將來，CFD作為一種新的分析計算方法，在直升機技術的發(fā)展中將得到越來越廣泛的應用。在旋翼CFD方法中，N-S方程是最高層次的控制方程，它能考慮氣流的粘性，但是直接用N-S方程求解跨音速流場，其網(wǎng)格必須劃分的足夠小，這無論從目前的計算機容量還是計算機速度來說都是不現(xiàn)實的，因此必須對N-S方程進行適當?shù)暮喕?/p>

2.5 柔性多體系統(tǒng)動力學

近20多年來直升機技術特別是旋翼技術的迅猛發(fā)展，很大程度上得益于復合材料的應用。復合材料的采用為旋翼槳葉氣動外形的改進和優(yōu)化及旋翼動力學特性優(yōu)化提供了可能，更重要的是復合材料使在交變載荷作用下的旋翼壽命大幅度提高;復合材料在機身上的應用正在迅速發(fā)展，在傳動系統(tǒng)中的應用也已提上日程。最近迅速發(fā)展起來的智能復合材料將為直升機技術的發(fā)展開辟新的天地。智能復合材料與結構是國外80年代在復合材料基礎上發(fā)展起來的高新技術，它把傳感器陣列、光電器件、微型處理機等嵌埋在復合材料結構中，形成既能承載又具有某些特定功能的結構材料。智能結構的產(chǎn)生為實現(xiàn)旋翼的自適應控制提供了可能。

3 結論

旋翼空氣動力學是功率型飛行器（包括直升機、螺旋槳飛機及旋翼機等）的空氣動力學的核心內(nèi)容。直升機旋翼空氣動力學問題是直升機設計過程中的先導并且是具有全局性影響的重要研究問題。

參考文獻

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