临近空间旋翼气动性能分析研究崔钊

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文临近空间旋翼气动性能分析研究崔钊李建波(南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，南京210016)摘要：旋翼应用于临近空间环境将面临极低的大气密度导致的低雷诺数问题，从而导致旋翼气动特性有显著变化。本文针对临近空间旋翼气动问题，进行了低密度下二维翼型升阻特性的数值计算，修正了经典的动量叶素理论，建立了临近空间旋翼气动模型，在此基础上分析了临近空间旋翼低雷诺数气动性能。关键词：临近空间；二维翼型；低雷诺数；气动性能0引言临近空间是指高于普通航空器飞行空间，而低于轨道飞行器运行空间的区域。国际上一般将距地面20-1

2、00千米的空域视为临近空间。该空域内飞行器具有一般飞机和卫星无法比拟的独特优势，应用前景十分广阔。在民用上可以进行高空大气研究、天气预报、环境及灾害监测、交通管制监测、电信和电视服务；在军事上可用于国界巡逻、侦查、通信中继、电子对抗等，在空间攻防和信息对抗中能发挥重要作用，进一步促进空天一体化的发展，特殊的战略位置将为未来战争开辟一个新战场。其发展和应用将可能对未来整个作战体系和作战思维产生重大而深远的影响。但临近空间特有的环境特征使临近空间飞行器的研制具有相当的技术难度。常规升力型飞行器会因临近空间大气稀薄，无法获得足够气动升力而难以飞行，而卫星则在达

3、到临近空间后因大气的耗散作用，速度迅速衰减导致陨落。目前国际上的临近空间飞行器多为太阳能飞机和平流层飞艇。本文提出临近空间旋翼飞行器概念，即将旋翼应用于临近空间飞行器作为升力面和操纵面。旋翼依靠旋转过程中相对气流获取升力，因此能够实现飞行器定点悬停。以旋翼作为升力面，使临近空间飞行器的总体尺寸明显小于太阳能飞机、平流层飞艇或超高空气球，可以有效提高其空间机动能力。旋翼的桨叶离心力刚度易于克服太阳能飞机大柔性结构的刚度问题，旋翼的旋转挥舞运动还能保持升力面稳定性，提供较强的抗风能力，易于实现稳定飞行控制。依靠旋翼实现姿态操纵高效可靠，易于克服大柔性结构弹性

4、变形导致常规副翼和舵面操纵失效问题。在动力失效时旋翼还能够实现自转下滑，有助于飞行器安全着陆。由于临近空间极低的大气密度，只有足够的升力面面积才能确保载荷能力，因此旋翼要求较大实度，即较大旋翼桨叶弦长或较多的桨叶片数。同时考虑到降低旋翼质量，需要尽量简化桨毂结构。因此旋翼宜采用两片桨叶，桨叶展弦比大于常规旋翼桨叶。另外出于增大旋翼拉力的考虑，旋翼处于大总距工作状态。本文基于临近空间旋翼飞行器概念，针对旋翼应用于临近空间环境下面临的气动问题展开研究。1二维翼型数值计算低雷诺数下绕翼型的边界层流动粘性效应显著，边界层厚度与特征尺寸相比常常达到了一个不容忽视的

5、程度，流动主要趋于层流特征，稳定性差，易发生分离。而临近空间由于其音速较低，导致相同转速下旋翼桨尖马赫数相对较高，翼型处于一个更加恶劣的工作状态。因而163/6临近空间的低密度、低音速决定了临近空间飞行器的相对较低雷诺数与相对较高马赫数。而雷诺数与马赫数决定了翼型的升阻特性，进而决定了旋翼的升阻特性。由于桨叶内段雷诺数马赫数很低，而外段的雷诺数与马赫数相对较高，本文进行Eppler387翼型的低雷诺数低马赫数下升阻特性计算，而后推广到低雷诺数高马赫数状态，并将计算结果与国外文献计算结果进行了对比。计算网格采用双曲线方程生成的C型网格，采用此种方法生成网格

6、在壁面区域的网格单元正交性好，能够较好的模拟边界层流动，计算外边界为翼型的14倍弦长。分别选取三种网格密度进行计算比较，以排除网格密度对计算结果的影响，最后确定使用300×119的网格密度进行计算。考虑低雷诺数下流场的气流粘性影响，低雷诺数低马赫数状态计算的控制方程采用定常、不可压纳维－斯托克斯（N-S）方程。层流粘性系数通过萨特兰公式给出，湍流粘性系数由湍流模型给定。计算湍流模型分别采用Spalart-Allmaras模型和两方程K-W模型，压力-速度耦合采用SIMPLE算法。动量方程、能量方程、湍流粘度均采用二阶迎风格式耗散。入口边界给定速度，出口边

7、界给定大气压强，翼型壁面条件为无滑移边界条件。来流马赫数为0.08马赫，雷诺数为10万。翼型流场计算网格及计算结果如下：图1翼型流场网格图20.08马赫下升力系数图30.08马赫下阻力系数图中离散的点分别为Langley风洞、Delft风洞、Stuttgart风洞的试验结果。三者之间有一定的差别。实线表示采用S-A湍流模型的计算结果，虚线为采用K-W两方程计算结果。从图2能够看到，S-A湍流模型和K-W两方程模型对翼型升力线性部分有非常好的模拟；S-A模型捕捉到的最大升力系数与Langley风洞试验结果吻合，与其他两个略有差别；K-W两方程模型捕捉到得失

8、速攻角与Langley风洞结果一致，但最大升力系数略有减小。从图3看到，两种模型