共轴双旋翼悬停地面效应气动特性分析

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　　摘要：基于时间步进算法建立了适用于共轴双旋翼气动特性分析的旋翼自由尾迹模型，并采用面元法对水平和倾斜地面效应影响下共轴双旋翼系统气动特性进行了研究。在建模的过程中。采用Weiasinger-L一阶升力面模型模拟了桨叶的三维效应，并充分考虑了旋翼/旋翼和旋翼/地面之问的气动干扰。通过与尾迹几何和诱导速度试验数据的对比，验证了计算模型的可行性。在此基础上，对共轴双旋翼在地面效应影响下的旋翼尾迹几何形状、流场诱导速度矢量分布和上下两旋翼桨叶的拉力系数分布进行了计算及分析。结果表明，悬停状态下，共轴双旋翼上下旋翼间存在强烈的气动干扰，且地面的影响使旋翼尾迹涡线径向扩展且向上卷起，对共轴双旋翼下旋翼拉力产生明显的影响。
　　关键词：自由尾迹；共轴双旋翼；地面效应；面元法；气动干扰
　　中图分类号：V211.52 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）02-0266-09
　　旋翼的气动特性对直升机的飞行性能及品质起着关键作用。悬停是直升机最独特的飞行状态，直升机在起降或贴地悬停作业时，地面对旋翼的性能有很明显的影响，试验研究发现，悬停状态下旋翼下洗流撞击到地面时，沿径向快速展开，气流几乎与地面平行，地面效应使旋翼的入流减小，导致在相同需用功率下旋翼拉力明显增加或者在产生相同的拉力时需用功率减小。
　　首先将自由尾迹模型应用于地面效应分析的是DuWaldt，他假设一个轴对称的，周期性的尾迹，地面对流场的影响通过以地面为对称面布置一个与真实旋翼尾迹一样的镜像尾迹，不过计算结果与实验数据对比相差较大。Itoga等人发展了另一种数值方法，在地面布置一个涡板，地面涡板的几何形状可根据实际地面形状进行调整，尽管该模型计算结果显示，随着旋翼离地面高度的减小，旋翼需用功率减小，不过没有与试验数据进行对比。Griffiths等人发展了一套能用于分析双旋翼气动干扰问题和旋翼地面效应气动特性的自由尾迹数值计算模型，但是仅研究了较普遍的单旋翼地面效应特性，没有深入探讨双旋翼地面效应问题。
　　到目前为止，预估双旋翼系统地面效应状态下的气动载荷仍是一个富有挑战性的难题，因为旋翼尾迹间的相互气动干扰特性非常复杂。基于对共轴双旋翼气动干扰特性和无穿透边界对流体流动的数值模拟的深入研究，文中应用自由尾迹方法发展了一套适用于共轴双旋翼地面效应流场特性计算的模型。
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