主/从动式组合旋翼悬停状态气动特性分析牛鑫，王正平（西北工业大学无人机特种技术重点：从可以看出，利用动量叶素法计算旋翼升力时，在高转速下计算值略大于试验值，但误差都在10以内；多重系法计算所得结果除旋翼桨尖附近下方若干动压峰值与试验结果偏差30左右以外，其他区域动压值均与试验值致。表明这两种方法具有良好的计算精度，可以用来研究本文组合旋翼的气动特性。

　　3主/从动式组合旋翼悬停状态升力与扭矩分析动量理论将旋翼看做是一个桨叶片数无限多的桨盘，气流连续地通过桨盘，无旋转。叶素理论将桨叶分为有限个微小段，后沿径向求和得到桨叶上的总气动力。在共轴双旋的研究中发现，般下旋翼对上旋翼的干扰较小，可不必着重考虑。而组合旋翼的下旋翼没有处在上旋翼的尾流中，上旋翼对下旋翼的干扰也不像共轴双旋翼那样强烈，其干扰作用将在数值计算中分析，故作为对主/从动式组合旋翼升力和扭矩特性的初步分析，此处可将其气动特性简化成两个单旋翼的叠加，特殊之处在于上方旋翼的扭矩将作为下方旋翼旋转的动力。

　　根据动量理论，桨盘的升力增量表示为：同样，根据叶素理论，得到升力增量为：为安装角，c为桨叶弦长。

　　下方旋翼升力/N（转速不变）从表2中可以看出，在上方旋翼旋转产生的扭矩不变的情况下，下方旋翼尺寸的改变对其升力的影响不是很大，均为1N左右；若是在尺寸改变的情况下能维持原先的转速，大展弦比的下方旋翼产生的升力将急剧增加，弦长从15cm降为10cm时，升力增加2倍左右。这表明下方旋翼升力的提升主要还是取决于作为其动力来源的上方旋翼旋转时产生的扭矩的大小，靠自身外形的改变不能有效地提高性能。

　　4主/从动式组合旋翼悬停状态数值模拟分析多重系法08将流场简化为某位置的瞬时流场，动区域网格计算时保持静止，在惯性坐标系中以作用的科氏力计算。静止区域在惯性坐标系中定常计算，在两个子区域交界面处交换惯性坐标系下的流体参数，保证交界面的连续性。此法用定常研究非定常，得到收敛解，耗时相对于其他方法（如滑移网格法）要短。

　　对主/从动式组合旋翼模型进行CATIA简化建模，省去了机身部分，只保留上下旋翼。在Gambit中采用非结构网格对模型进行网格划分。整个计算模型分为四个区域：上旋翼区域，下旋翼区域，旋翼附近加密区以及远场稀疏区。其中上下旋翼区域为旋转区域，其余为静止区域。静止区域采用定常、可压N-S流动方程，湍流模型则选择雷诺平均k-s模型；对于旋转区域在fluent中进行计算时采用多重系法。

　　对中的主/从动式组合旋翼（上下旋翼间距16.5cm，下方旋翼两片桨叶间距35. 5cm）进行数值模拟后，在后处理中得到的流场流线图如所示。

　　中A所在区域为上方主动旋翼尾流区，B为下方从动旋翼尾流区，C为引流区。从流线图中可以看出，上方主动旋翼的尾迹大部分通过下方从动旋翼两片桨叶间的空隙，由于尾迹收缩的特性，下方从动旋翼并没有受到上方旋翼尾迹的直接冲击。组合旋翼在旋转过程中对周围空气有很强烈的引流作用。

　　为分析上方主动旋翼对下方从动旋翼的干扰特性，通过同样的建模和气动分析方法，在同样的转速下，单独对下方从动旋翼的气动特性进行了数值分析。

　　将单独下方旋翼状态和中所示的组合旋翼状态下，下方从动旋翼沿展向的环量分布见。

　　从可以发现，上方主动旋翼对下方从动旋翼的干扰作用从整体上说改善了下方从动旋翼的气动特性。在靠近桨根处组合旋翼状态下，下方从动旋翼的环量略低于单独下方旋翼状态；但在。7及处附近，组合旋翼状态时的环量则远大于单独状态。说明，上方主动旋翼在高速旋转时产生的尾流虽然没有直接冲击到下方从动旋翼表面，但还是对下方从动旋翼的桨根处部位产生了下洗作用，导致桨根处部位的环量较单独下方旋翼状态有所降低。然而，上方主动旋翼产生的引流对下方从动旋翼靠近桨尖的部位却起到了上洗左右，使其环量增加。

　　以中的模型尺寸位置为基准，改变下方从动旋翼相对于上方主动旋翼的位置，并将不同位置处下方从动旋翼的升力和扭矩系数表3.表3不同位置处下方从动旋翼的气动系数项目单独状态模型状态桨叶外移17.5cm桨叶下移33.5cm从表3可以看出，在模型组合旋翼状态下，下方从动旋翼的升力系数较单独状态提升了35，中的环量分布比较结果在此处从整体上得到量化。若把下方从动旋翼的桨叶外移，桨叶的升力系数较状态时会有较大的提升（约40），但是力矩系数却增大为原先的1.5倍，这意味着下方从动旋翼在动力提升50的情况下，升力只能提升40.若把下方从动旋翼的桨叶下移，桨叶的升力系数下降，但扭矩系数依然上升。表明下方从动旋翼下移时，不但使下方从动旋翼的升力有所降低，而且使其对动力的需求增加。

　　5结论本文提出的主/从动式组合旋翼构型，可将主旋翼旋转时产生的扭矩转化为升力。利用动量叶素理论和动系法，建立了一套可以分析该组合旋翼气动特性和上下旋翼间干扰的方法，并得到以下结论：主/从动式组合旋翼可以有效地将需要抵消的扭矩转化为升力。在所示的状态下，下方从动旋翼利用上方主动旋翼的扭矩产生了额外10的升力；为提高主/从动式组合旋翼中下方从动旋翼的气动效率，应选择具有较大转动惯量的主动旋翼。

　　主/从动式组合旋翼的上方主动旋翼能对下方从动旋翼产生有利干扰，在状态下，由于上方主动旋翼旋转时产生的引流干扰，下方从动旋翼的升力系数较无干扰状态下能提升35；外移下方从动旋翼的桨叶虽能提高升力，但需付出扭矩（即下方从动旋翼的动力输入）增大的代价。而下移下方从动旋翼则不但降低升力，而且需要增加输入扭矩。

　　本文建立的适用于主/从动式组合旋翼的动量叶素理论和应用多重系法的CFD数值模拟方法，可用于研究悬停状态组合旋翼的气动特性问题，所得结论可以为主/从动式组合旋翼的构型设计提供。

　　（下转第62页）的多段翼型襟翼头部半径增加，大厚度位置前移，曲率减小，襟翼前缘压力峰值增加，提高了襟翼和主翼升力系数，从而使多段翼型升力系数有了进步提高。

　　本文方法是可行的，具有一定的工程实用性。