微型共轴双旋翼气动布局优化设计与试验研究

发布时间：2020-05-25 08:49

【摘要】：随着旋翼式飞行器在各个领域的广泛应用,旋翼的空间结构布局也朝着更加紧凑的方向发展。本文选取微型共轴式双旋翼飞行器为研究对象,从空气动力学角度定性分析低雷诺数下粘性效应和翼间干扰对旋翼气动性能的影响,将数值模拟和试验研究结果互为验证,对旋翼系统重要的气动参数进行优化,从而得到较优的气动布局方案,并为旋翼式飞行器的优化提供一定的理论基础和相关试验数据。基于旋翼成熟的气动性能分析理论,利用修正的动量-叶素法对低雷诺数下计入粘性效应的旋翼气动性能进行了理论计算,并得到相关理论计算公式。同时明确了粘性效应对翼型气动特性的影响,并建立了悬停和自然来流状态下空气动力学模型,定性地分析了翼间气动干扰。建立了一套针对微型旋翼流场特性分析的数值模拟方法,主要得到翼型的升阻力系数以及桨尖压强、流线和速度矢量分布等,分析了翼型升阻特性和旋翼流场在低雷诺数下的分布特点。此外,搭建了微型单旋翼气动性能测试试验台,将所得试验数据与模拟结果进行对比,验证了模拟方法和试验台的准确性和可靠性。在微型单旋翼性能测试装置的基础上进行改进,搭建微型共轴旋翼气动特性测试试验台,得到不同间距和转速下的旋翼拉力和功耗,试验测量误差均小于2%。同时,利用验证有效的数值模拟方法,细致分析了间距比对流场分布的影响。综合试验数据和模拟分析的结果,初步得出微型共轴双旋翼的最佳气动布局。此外,为了测试共轴双旋翼的来流抗风扰性能,对比无来流的状态,选取自然环境中典型的二级风和三级风,利用低速风洞进行来流吹风试验,结合数值模拟结果综合分析来流速度和方向对旋翼气动特性的影响,得出改善旋翼系统气动性能的方法,初步探索微型共轴旋翼系统的抗风扰能力。研究结果表明:(1)本文采用的翼型具有较好的升阻比和悬停性能;(2)翼型在低雷诺数工作环境中的气动性能下降;(3)间距比h/r=0.38为共轴双旋翼最佳气动布局,随着间距比增大,共轴拉力和功耗均降低并逐渐与间距大小无关;(4)共轴双旋翼在低转速下具有较高的功率载荷;(5)上旋翼对共轴双旋翼总拉力的贡献大于下旋翼;(6)在竖直来流环境中,共轴双旋翼的气动性能下降,随来流速度增大性能下降加剧,而在水平来流环境中具有较好的抗风扰性能,其气动性能随来流速度增大得到提高。
【图文】：

气动布局,粒子图像测速技术

１．２研究现状及挑战逡逑Ｃｏｌｅｍａｎ［２６】在邋ＮＡＳＡ邋（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ邋ａｎｄ邋Ｓｐａｃｅ邋Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）的一报告中阐述了对于空气动力问题的看法以及共轴技术的现状，他发现相关研究要来自美国、俄罗斯、日本、英国和德国，分析试验数据发现主要研究重点集在旋翼间的载荷分布、桨叶实度、尾迹结构、旋翼间距和共轴式结构等。因此，逡逑共轴式双旋翼结构气动布局的研究对于微型飞行器的发展是有一定意义的。逡逑由乎旋翼转速和尺寸的限制以及旋翼间紧凑的布局结构，微型旋翼飞行器低雷诺数下产生的气动千扰成为亟待解决的问题。相比常规的飞行器，微型旋流场分析的困难体现在：第一，低雷诺数环境中空气粘性产生的影响较大，使翼性能分析复杂化；第二，上下旋翼间的布局紧凑，旋翼间重叠区域内存在强的气动干扰，流场中存在复杂的桨叶－涡流和涡流－涡流干扰，使共轴双旋翼系

气动布局,旋翼,双旋翼,低雷诺数

１．２研究现状及挑战逡逑Ｃｏｌｅｍａｎ［２６】在邋ＮＡＳＡ邋（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ邋ａｎｄ邋Ｓｐａｃｅ邋Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）的一报告中阐述了对于空气动力问题的看法以及共轴技术的现状，，他发现相关研究要来自美国、俄罗斯、日本、英国和德国，分析试验数据发现主要研究重点集在旋翼间的载荷分布、桨叶实度、尾迹结构、旋翼间距和共轴式结构等。因此，逡逑共轴式双旋翼结构气动布局的研究对于微型飞行器的发展是有一定意义的。逡逑由乎旋翼转速和尺寸的限制以及旋翼间紧凑的布局结构，微型旋翼飞行器低雷诺数下产生的气动千扰成为亟待解决的问题。相比常规的飞行器，微型旋流场分析的困难体现在：第一，低雷诺数环境中空气粘性产生的影响较大，使翼性能分析复杂化；第二，上下旋翼间的布局紧凑，旋翼间重叠区域内存在强的气动干扰，流场中存在复杂的桨叶－涡流和涡流－涡流干扰，使共轴双旋翼系
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V221.3;V211.52

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