01-悬停飞行空气动力学

南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学高等直升机空气动力学航空宇航学院南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学参考书目1直升机性能及稳定性和操纵性(HelicopterPerformance,Stability,andControl)美：RaymondW.Prouty（主要参考书）2直升机理论（HelicopterTheory）美：WayneJohnson3PrinciplesofHelicopterAerodynamics美：J.GordonLeishman南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学单位制及换算项目国际单位制英制长度1m=3.2808ft1ft=0.3048m质量1kg=2.20462b1b=0.45359kg时间秒秒南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学教学内容1.悬停空气动力学2.垂直飞行空气动力学3.前飞空气动力学4.性能分析5.特殊性能问题6.旋翼桨叶的翼型7.旋翼的挥舞特性南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学教学方法讲授为主：基本问题解题思路数学表达物理含义结果讨论南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学第一章悬停飞行空气动力学基本问题解决方法结果讨论南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学第一节悬停飞行空气动力学的基本问题旋翼的拉力旋翼的扭矩旋翼的功率旋翼的诱导速度旋翼的效率……南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学第二节悬停飞行空气动力学的解题方法动量方法叶素方法动量——叶素组合方法南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学一动量方法1旋翼拉力的产生旋翼向下排压空气，形成旋翼尾流，同时从上方吸入空气。气流受到旋翼作用力，被加速、增压；同时对旋翼施加反作用力，即是旋翼拉力。讨论：旋翼拉力与升力，概念不同：翼面升力垂直于来流速度旋翼拉力沿转轴方向，是各桨叶的合力南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学2解题的基本思路利用动量理论求空气受旋翼的作用力；利用作用力与反作用力原理求旋翼拉力；3滑流假定滑流：空气无粘性、不可压缩作用盘：旋翼是作用盘，产生稳定均布的诱导速度流管：受旋翼作用的气流形成一流管，气流无扭转诱导速度---旋翼的作用引起的速度变化（方向、大小）讨论：各项假定的适宜性：低速、常温、常规尺寸；（粘、波阻力）多叶旋转、负扭及尖削；（修正系数）流动有界面、扭速较小南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学4数学表达4.1由动量定理，单位流量的动量改变等于所受的同方向外力根据质量守恒定律，单位流量20()mVVF110022mVSVSVS南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学4.2由动能定理，滑流动能的改变，等于旋翼输送给滑流的功率即将动量定理的及代入上式得即旋翼在下游远处的诱导速度，等于桨盘处诱导速度的2倍.讨论：空气有粘性，动能会耗散。远处诱导速度达不到最大值约为，之后即减小，最终耗尽。222011122mVmVFV2220011()()2mVVFV20()FmVV212211211.6202VV南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学4.3悬停飞行状态的拉力和诱导速度悬停时，旋翼在原地运转，空气被旋翼吸入，桨盘处的入流速度就是旋翼的诱导速度，即旋翼滑流的单位流量由滑流受力且已知，得:写成无量纲形式有：00V110V210mR20()FmVV2102TF22102TR2104TC1012TC102221T0.63890.6389()22RTTvpRRprrpp==坊=米／秒南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学对样例直升机，设计重量20000磅（90712千克），旋翼半径为30英尺（9.144米），则桨盘载荷为7.1磅／英尺2，桨盘处诱导速度为39英尺／秒（12米／秒）或23海里／小时。对共轴式直升机旋翼的诱导速度，计算桨盘载荷时，只取单副旋翼的桨盘面积；对纵列式直升机，桨盘面积取两副旋翼的净投影面积。南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学诱导速度的影响1靠近地面悬停飞行时，产生所谓的“矿砂开采”现象，卷起的泥沙会遮断驾驶员的视线，或进入发动机进气道，桨盘载荷越大，这种现象越强。讨论：现代直升机为何仍要采用大桨盘载荷？2旋翼尾流对机身的下洗干扰（垂直阻力）0.30.3(1)DVVDCqSDqSpSDTGG===+投影投影＝南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学4.4滑流中的速度及静压变化对于无粘、不可压流体，柏努利方程简化为旋翼上方因，得212PV常数00V220011122PVPV1上110V201012PP1上南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学旋翼下方因，，得即：旋翼上面为吸压，下面为增压，且增压值为吸压的3倍。若由桨盘上、下的静压差来计算旋翼拉力，则得，与动量分析所得结果相同。02PP110V22210()2TRPPR1下1上221221122PVPV1下2102V201032PP1下讨论：应用柏努利方程为何要分别针对上下两段滑流南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学4.5悬停功率理想条件下，旋翼功率仅用于产生拉力（引起诱导速度）以将无量纲化，得功率系数以代入，则得010PT221()()2RRR0P010kTmC1012TC3/2012kTmC南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学4.6悬停效率旋翼在悬停时消耗的功率，不仅是诱导功率，还有：克服空气粘性引起的翼型阻力的能耗、克服波阻的功耗旋翼尾流有扭转运动，带走了动能诱导速度有脉动、沿桨盘不均布，诱导功率比要大些（上述功率将利用旋翼叶素理论、涡流理论计算）03/20012TkPCPm理想悬停功率实际悬停功率10T10T定义：悬停效率大多数直升机，在0.7左右。0南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学4.7悬停旋翼尾流扩散由质量守恒已知下游无限远处，滑流收缩为实际气流有粘性，流动中动能逐渐耗散1)尾流不能收缩到R2＝0.707，实际约达0.78R后开始扩散2)最大值仅能达到约，之后即减小至耗尽。2210202RR20102210.7072RRR==20101.6讨论：滑流理论也称做动量理论应用的局限性南京航空航天大学NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics直升机技术研究所InstituteofHelicopterTechnology高等直升机空气动力学悬停飞行空气动力学本章小结一、主要结论诱导速度拉力系数诱导功率系数悬停效率桨盘载荷与功率载荷的关系：2121012TC10122p20011010101[()4]2VV2104TC3/2012kTmC3/2012TkCm037.5qp