悬停状态旋翼间干扰对四旋翼升力影响分析

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1、第5卷第2期2014年5月航空工程进展ADVANCESINAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGV01．5No．2Mav2014文章编号：1674—8190(2014)02—148—06悬停状态旋翼间干扰对四旋翼升力影响分析刘雪松，昂海松，肖天航(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，南京210016)摘要：四旋翼无人机旋翼间干扰对旋翼升力产生较大影响。建立考虑旋翼直径、弦长、变桨距、转速等因素的适用于四旋翼飞行器的等效盘模型。对该模型添加动量源，在Fluent中计算孤立单旋翼悬停状态下

2、不同转速的旋翼升力，并与实验数据进行对比，验证等效盘模型的有效性。使用上述方法，计算和分析悬停状态时不同旋翼间距下旋翼间的相互干扰对四旋翼升力的影响。结果表明：相同转速下，旋翼间距越小，旋翼间干扰越强烈，升力损失越大。关键词：气动干扰；四旋翼；计算流体力学；等效盘；动量源中图分类号：V211．3文献标识码：AAnalysisofRotorInterferenceEffectsonQuad-rotorLiftinHoverLiuXuesong，AngHaisong，XiaoTianhang(KeyLaboratoryofFundam

3、entalScienceforNationalDefense-advancedDesignTechnologyofFlightVehicle，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)Abstract：Theaerodynamicinterferenceamongrotorshasstrongaffectontheliftforceofthequad—rotorUAV．Anequivalentactuatordiskmodelofairpla

4、nepropellerispresented，whichtakesthefactorssuchasdiameter，chord，pitchandrotatingspeedofrotor，etc，intoconsideration．Theeffectivenessoftheequivalentactuatordiskisestablishedthoroughincreasingmomentumsource．ThedifferentliftforceofasinglerotorinhoveronFluentiscalculatedan

5、dcomparedwiththeexperimentaldata．Thoroughtheabovemethod，theeffectsofinter—ferenceamongrotorsonliftforceofquad-rotorinhoverarecalculatedindifferentrotordistances．ResultsshowthatthesmallertherotordistanceiS，thestrongertheinterferenceandthemorelossofliftforcewillbe．Keywo

6、rds：aerodynamicinterference；quad-rotor；CFDequivalentactuatordiskmodel；momentumsource0引言微小型四旋翼飞行器是一种结构简单、机动灵活性很高、可垂直起降的无人飞行器，在现代军事和民用方面都具有广阔的应用前景。军事上可应用于战场侦察和监视、排爆、近距离空中支持等方面，民用上可用于航拍、搜救、水坝检查等uJ，上述应用对四旋翼飞行器均有较高的任务载荷要求。收稿日期：2013一10—31；修回日期：2013—12—26基金项目：航空科学基金(20L02A52

7、003)江苏高校优势学科建设工程资助项目通信作者：刘雪松，nanhanglxs@126．COITI因此，研究四旋翼气动布局对旋翼升力的影响具有重要的实用价值。四旋翼飞行器的四个旋翼之间存在严重的气动干扰，导致其流场和气动特性与孤立单旋翼明显不同。这种气动干扰与双旋翼气动干扰类似，主要表现为尾迹相互诱导。旋翼尾迹是梯度很大的涡旋场，存在着集中的涡。由于涡的相互诱导和自诱导、与桨叶的干扰、粘性作用，尾迹中的涡会产生扭曲、缠绕、破碎等现象[2J。国内外对于多旋翼气动干扰问题已开展不少研究，但主要针对共轴式、纵列式和横列式双旋翼[2。3]

8、，而对四旋翼气动干扰问题研究较少。研究四旋翼气动干扰问题，首先需要一种有效的旋翼动力学模型。围绕旋翼动力学建模，国内外学者做了大量的研究，并逐渐发展出“等第2期刘雪松等：悬停状态旋翼间干扰对四旋翼升力影响分析149效盘”概念。在国外，D．J．Str