共轴旋翼悬停测力实验与数值模拟

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1、第４５卷第２期航空计算技术Ｖｏｌ．４５Ｎｏ．２２０１５年３月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＭａｒ．２０１５共轴旋翼悬停测力实验与数值模拟闫修，赵旭，郭汉青，李晓东，王年华（西北工业大学航空学院，陕西西安７１００７２）摘要：为改善单旋翼的拉力不足的问题，对具有前后对称翼型的共轴旋转机翼，进行悬停测力实验，探索了单、双旋翼的最佳安装角。通过三维非定常旋翼绕流的ＣＦＤ数值模拟，分析了上下旋翼之间的相互干扰影响。研究发现，受上旋翼下洗流影响，下旋翼的最佳安装角远大于单旋翼最佳安装角；共轴旋翼间的气动干扰使下

2、旋翼拉力减小比上旋翼拉力减小程度大。实验表明，同转速双旋翼最大拉力超过单旋翼最大拉力的两倍，表明在特定情况下，双旋翼能改善单旋翼的拉力不足的缺点。关键词：共轴旋转机翼；悬停实验；ＣＦＤ；非定常流动；拉力中图分类号：Ｖ２１１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１-６５４Ｘ（２０１５）０２-００６５-０３ForceMeasurementandCFDValidationofCoaxialRotorinHoverＹＡＮＸｉｕ，ＺＨＡＯＸｕ，ＧＵＯＨａｎ-ｑｉｎｇ，ＬＩＸｉａｏ-ｄｏｎｇ，ＷＡＮＧＮｉａｎ-ｈｕａ（CollegeofAerona

3、utics，NorthwestPolytechnicalUniversity，Xi′an７１００７２，China）Abstract：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｒｕｓｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣＦＤｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆａｃｏａｘｉａｌｒｏｔａｔｉｎｇｗｉｎｇｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｈｅｆｏｒｅ-ａｎｄ-ａｆｔｅｒｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌａｉｒｆｏｉｌｉｎｈｏｖｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅａｎｄｃｏ－ａｘｉａｌｗｉｎｇｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｎ

4、ｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｂｅｔｗｅｅｎｃｏａｘｉａｌｗｉｎｇｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｖｉａ３Ｄｕｎｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｗｉｎｇｉｓｍｕｃｈｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｕｐｓｔｒｅａｍｗｉｎｇ．Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏａｘｉａｌｗｉｎｇｓｌｅａｄｓｔｏａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｔｈｒｕｓｔｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｗｉｎｇｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｕｐｓｔｒｅａ

5、ｍｗｉｎｇ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｔｈｒｕｓｔｏｆｃｏａｘｉａｌｗｉｎｇｕｎｄｅｒｏｐｔｉｍａｌｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｇｌｅｉｓｔｗｉｃｅｍｏｒｅｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｗｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｃｏａｘｉａｌｗｉｎｇｈａｓｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｅｎｈａｎｃｅｔｈｒｕｓｔｉｎｓｏｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Keywords：ｃｏａｘｉａｌｒｏｔａｔｉｎｇｗｉｎｇ；ｈｏｖｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ＣＦＤ；ｕｎｓｔｅａｄｙｆｌｏｗ；ｔｈｒｕｓｔ引言后对称翼型和无扭转旋翼

6、。前飞时单个旋翼仅需小角度变距可获得与来流呈正攻角的辅助平直机翼，旋翼固定翼无人机多使用火箭助飞，伞降回收，因环境［１］锁定后成为辅助机翼，兼顾悬停和前飞状态的气动性干扰，起降具有不定因素，不能实现悬停。旋翼机优能，并完成悬停实验和ＣＦＤ数值验证，验证此方案的良的悬停和巡航特性，使其成为国内外研究的热点。［２］可行性，探索悬停状态共轴旋翼的复杂非定常气动特西北工业大学的邓阳平等研究翼尖喷气的旋转机性。前后对称翼型是实现悬停和前飞状态转化的关翼，已开发出了无人机样机。相比单旋翼，共轴双旋翼键，本文采用带有弯度的上凸下凹前后对称翼型

7、ＧＯＥ直升机具有空气动力对称、扭矩相消、悬停效率高、无［３－４］－１０－１２，其设计和气动特性详见参考文献［８］。尾桨、结构紧凑、重量效率高和安全性好等特点。实物研发方面，俄罗斯卡莫夫设计局已开发出诸多共［５］１共轴旋转机翼实验轴双旋翼直升机。在理论和数值研究方面，美国马［６］里兰大学的Ｌａｋｓｈｍｉｎａｒａｙａｎ等采用嵌套网格方法模１．１共轴旋转实验台［４］拟悬停状态微型共轴双旋翼流场。西北工业大学许和在单旋翼地面实验台的基础上，增加共轴反转［７］勇等人模拟了悬停状态共轴旋翼直升机的动态流场。机构。图１为旋翼实验台，由锥齿轮箱

8、实现两个旋翼本文对固定翼无人机设计共轴旋转机翼，开发前的共轴反转。转速由变频电机变频器给出，六分量应收稿日期：２０１４－１０－１７修订日期：２０１４－１２－２６基金项目：航空科学基金项目资助（２０１４５７５３０３０）；国家大学生创新训练计划项目资助（２０１２１０