基于PIV技術(shù)的縱列式雙旋翼尾跡特性實(shí)驗(yàn)研究

黃水林，林永峰，黃建萍，李 明，劉平安

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn)，333001）

0 引 言

直升機(jī)旋翼尾跡幾何形狀隨操縱和流場(chǎng)參數(shù)復(fù)雜多變［1］，且旋翼各槳葉的槳尖渦互誘導(dǎo)和自誘導(dǎo)作用引起的尾跡畸變使得旋翼氣動(dòng)特性難以準(zhǔn)確計(jì)算。對(duì)于縱列式直升機(jī)，其旋翼尾跡中渦線之間的纏繞更為嚴(yán)重，兩旋翼之間相互誘導(dǎo)作用使其氣動(dòng)特性比單旋翼情況更加復(fù)雜，要完全通過數(shù)值模擬來研究縱列式雙旋翼氣動(dòng)特性是很困難的。正如文獻(xiàn)［2］指出的那樣，旋翼氣動(dòng)性能計(jì)算的關(guān)鍵是旋翼尾跡的確定，因此，深入地開展縱列式直升機(jī)雙旋翼尾跡特性研究具有重要的意義。

國(guó)外基于PIV對(duì)單旋翼槳尖渦進(jìn)行了不同程度的實(shí)驗(yàn)研究。例如，文獻(xiàn)［3－4］采用PIV技術(shù)測(cè)量了懸停狀態(tài)旋翼的槳尖渦特性，文獻(xiàn)［5］則基于PIV技術(shù)對(duì)懸停時(shí)全尺寸和模型直升機(jī)旋翼尾跡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。盡管國(guó)外在這方面做了比較多的研究，但大多是針對(duì)于單旋翼直升機(jī)的懸停狀態(tài)。國(guó)內(nèi)在旋翼槳尖渦實(shí)驗(yàn)研究方面也做了一些工作，但基本是對(duì)單旋翼尾跡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，且主要是懸停狀態(tài)。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外公開文獻(xiàn)還沒有發(fā)表過有關(guān)縱列式雙旋翼情況時(shí)旋翼尾跡特性的文章。為研究雙旋翼干擾對(duì)其尾跡特性的影響及與單旋翼尾跡的差異，本文基于PIV技術(shù)，在縱列式雙旋翼模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，針對(duì)懸停和前飛狀態(tài)下的縱列式雙旋翼的槳尖渦特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)量了不同氣動(dòng)布局時(shí)縱列式旋翼的尾跡結(jié)構(gòu)，并與單旋翼進(jìn)行對(duì)比分析。本次基于PIV技術(shù)的縱列式雙旋翼槳尖渦尾跡實(shí)驗(yàn)代表著該領(lǐng)域的首次嘗試，目的是為縱列式雙旋翼氣動(dòng)特性理論計(jì)算模型提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模型

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及模型有：旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)（兩座）、模型槳葉及槳轂（兩套）、低速風(fēng)洞、PIV測(cè)量系統(tǒng)等。

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及旋翼模型

實(shí)驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的2米級(jí)旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)室原來的實(shí)驗(yàn)臺(tái)（稱為主旋翼臺(tái)）只能用于單旋翼的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，為了適合于縱列式雙旋翼，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備基礎(chǔ)上增加了一個(gè)簡(jiǎn)易的旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)架（稱為副旋翼臺(tái)），構(gòu)成了一個(gè)縱列式雙旋翼模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?？v列式雙旋翼實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。在保持轉(zhuǎn)速一致的情況下，調(diào)整主旋翼臺(tái)（后旋翼）的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，副旋翼臺(tái)（前旋翼）的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，這樣就保證了兩旋翼的轉(zhuǎn)速一樣且旋向相反。根據(jù)風(fēng)洞的吹風(fēng)方向，實(shí)驗(yàn)時(shí)，縱列式的后旋翼置于主旋翼臺(tái)上，而縱列式的前旋翼安裝在副旋翼臺(tái)上。

圖1 縱列式雙旋翼模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Rotor model rig for tandem rotors

模型旋翼的槳轂形式是揮舞鉸接式、擺振柔性片。旋轉(zhuǎn)方向：后旋翼為左旋，前旋翼為右旋。轉(zhuǎn)速1200r／m，對(duì)應(yīng)槳尖速度約為128.177m／s。旋翼槳葉主要參數(shù)如表1所示。

表1 旋翼槳葉主要參數(shù)Table 1 The parameters of rotor blade

1.2 旋翼流場(chǎng)PIV測(cè)量系統(tǒng)

PIV技術(shù)本質(zhì)上是測(cè)量與圖像分析技術(shù)的一種，它采用時(shí)間間隔很短的兩個(gè)脈沖光源照亮所需要測(cè)量的流場(chǎng)，利用感光器（CCD）將所照明的流場(chǎng)中的示蹤粒子記錄下來，再使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理得出速度場(chǎng)的信息。

圖2為PIV測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖。圖2中，雙脈沖激光器通過導(dǎo)光臂將激光引導(dǎo)至所需測(cè)量區(qū)域的正下方，實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，發(fā)出扇形的片光，覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域，再通過PIV專用相機(jī)進(jìn)行拍照采樣。

圖2 PIV測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 PIV measurement system

2 實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及方法

旋翼尾跡測(cè)量實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)如表2所示。表中，dL／R代表縱向間距與旋翼半徑之比，而dV／R是軸向間距與旋翼半徑之比，δ表示兩旋翼的重合度，φ7為總距，μ為前進(jìn)比。

表2 旋翼尾跡測(cè)量狀態(tài)Table 2 Measuring state of rotor wake

實(shí)驗(yàn)中通過分別調(diào)整簡(jiǎn)易旋翼臺(tái)的底座高度來滿足實(shí)驗(yàn)狀態(tài)中垂向結(jié)構(gòu)參數(shù) 的需要，調(diào)整簡(jiǎn)易旋翼臺(tái)的縱向安裝位置來改變旋翼縱向間距dL。圖3是縱列式雙旋翼坐標(biāo)系示意圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以后旋翼的槳轂中心定義為坐標(biāo)中心，沿x方向?yàn)闄C(jī)體縱向，沿y方向?yàn)闄C(jī)體橫向，v代表風(fēng)洞吹風(fēng)方向。

圖3 縱列式雙旋翼坐標(biāo)系示意圖Fig.3 Sketch of coordinate systems for tandem twin rotors

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文給出了單旋翼和雙旋翼時(shí)A位置不同方位角（渦齡角）時(shí)的槳尖渦PIV測(cè)量圖像。測(cè)量位置A如圖4所示，A位置的測(cè)量范圍為：x方向（從0.65R至1.05R），z方向（從－0.2R 至0.1R）。單旋翼情況時(shí)，只有后旋翼，沒有前旋翼。為簡(jiǎn)單起見，直接用（）來代表實(shí)驗(yàn)時(shí)的雙旋翼氣動(dòng)布局狀態(tài)，如（1.5－0.2）表示兩旋翼的縱向間距為1.5R，軸向間距為0.2R。

3.1 旋翼瞬態(tài)槳尖渦測(cè)量

圖5給出了懸停狀態(tài)、總距為9°時(shí)，測(cè)量的縱列式雙旋翼（1.5－0.2）與單旋翼不同渦齡角時(shí)的旋翼槳尖渦位移的對(duì)比。左邊一列是單旋翼槳尖渦在渦齡角（ΨW）為25.7°、77.1°、128.6°和180°時(shí)的測(cè)量圖像，右邊一列是這些渦齡角位置的雙旋翼槳尖渦的測(cè)量圖像。

由圖5可見，對(duì)于單旋翼的槳尖渦，隨著渦齡角的增大，每片槳葉的槳尖渦的徑向位置會(huì)越來越向里移動(dòng)（圖中從渦齡角25.7°、77.1°、128.6°對(duì)比可以看出）。注意，實(shí)驗(yàn)中的旋翼有兩片槳葉，因此測(cè)量圖像中包括了兩個(gè)槳尖渦。圖中還可看出，在渦齡角180°時(shí)，圖5中測(cè)量圖像對(duì)應(yīng)于另外一片槳葉的槳尖渦。從槳尖渦的軸向位置對(duì)比可以看出，隨著渦齡角的增大，每片槳葉的槳尖渦的軸向位置會(huì)越來越向下。這是因?yàn)閼彝Ｐ砦槽E的軸向誘導(dǎo)速度所導(dǎo)致的，與實(shí)際［6－7］相符。

圖5中也可以看出，縱列式雙旋翼情況槳尖渦的徑向和軸向運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律與單旋翼時(shí)基本一致。與單旋翼不同的是，雙旋翼時(shí)，其槳尖渦的軸向位移要大于單旋翼（圖中對(duì)比左右圖像的槳尖渦軸向位置），即縱列式前后旋翼的相互干擾引起尾跡的下降速度更大，而徑向收縮不如單旋翼（見渦齡角為25.7°和180°時(shí)）大。

前飛時(shí)，和懸停時(shí)一樣，槳尖渦在旋翼尾跡中仍然占主導(dǎo)地位。與懸停相比，至目前對(duì)前飛狀態(tài)的旋翼尾跡的PIV實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行得還不多，主要原因是因?yàn)榍帮w時(shí)旋翼的尾跡比懸停要復(fù)雜許多，且隨流場(chǎng)參數(shù)變化敏感［1］。

圖6是前飛狀態(tài)（μ＝0.1）總距為9°時(shí)，縱列式雙旋翼（1.5－0.2）與單旋翼不同方位角下的旋翼槳尖渦位移的比較，圖中ΨV表示PIV對(duì)A區(qū)域的槳尖渦進(jìn)行采樣時(shí)槳葉所處的方位角。由圖可見，對(duì)于前飛時(shí)單旋翼的槳尖渦，隨著方位角的增大，每片槳葉的槳尖渦在測(cè)量的A區(qū)域的徑向位置會(huì)越來越向里移動(dòng)（圖中ΨV從25.7°至180°對(duì)比可以看出）。圖中還可看出，沿軸向，槳尖渦仍向下移動(dòng)，但相對(duì)懸停時(shí)要慢。

對(duì)于縱列式雙旋翼，前飛時(shí)，其槳尖渦的徑向和軸向運(yùn)動(dòng)規(guī)律與單旋翼是類似的。但其向下的軸向運(yùn)動(dòng)速度都比單旋翼時(shí)更快。而徑向收縮也略大于單旋翼的情況（后面的尾跡邊界對(duì)比圖將更清楚地示出）。

3.2 旋翼尾跡邊界

本節(jié)給出了單旋翼和雙旋翼不同狀態(tài)、不同總距時(shí)測(cè)量的尾跡邊界，并進(jìn)行了對(duì)比分析。該尾跡邊界通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的旋翼槳尖渦煙流圖轉(zhuǎn)化而來。

圖7是懸停狀態(tài)下，軸向間距0.2R、總距為9°時(shí)不同縱向間距對(duì)縱列式后旋翼槳尖渦位移影響的對(duì)比。由圖可知，縱列式雙旋翼時(shí)，旋翼尾跡徑向收縮不如單旋翼那么嚴(yán)重，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，縱向間距的變化對(duì)槳尖渦的運(yùn)動(dòng)有很大影響，尤其是徑向時(shí)。而且，徑向位移并不是隨縱向間距的變化而規(guī)律變化，如圖所示，當(dāng)縱向間距為1.8時(shí)，徑向收縮很小，而當(dāng)縱向間距為1.3或1.5時(shí)收縮程度基本一致。這一現(xiàn)象可以從雙旋翼重疊區(qū)域的尾跡邊界來解釋，當(dāng)縱向間距為1.8R附近時(shí)，后（上）旋翼的尾跡邊界剛好處于下旋翼槳尖附近，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似于雙旋翼橫列式排列時(shí)的有利干擾［8］。由圖7（b）可以看出，縱向間距對(duì)軸向位移具有一定影響，且隨兩旋翼縱向間距的增大，槳尖渦的軸向位移越來越大。

圖8是懸停狀態(tài)下，縱向間距1.3R、總距為9°時(shí)不同軸向間距對(duì)縱列式后旋翼槳尖渦位移影響的對(duì)比。由圖可知，雙旋翼時(shí)，軸向間距的變化對(duì)徑向和軸向位移具有一些影響，但都不是很大。

圖7 不同縱向間距時(shí)后旋翼槳尖渦位移隨渦齡角的變化（φ7＝9°，μ＝0）Fig.7 The displacement of aft rotor blade tip vortices with wake age in different longitudinal distances（φ7＝9°，μ＝0）

圖8 不同軸向間距時(shí)后旋翼槳尖渦位移隨渦齡角的變化（φ7＝9°，μ＝0）Fig.8 The displacement of aft rotor blade tip vortices with wake age in different axial distances（φ7＝9°，μ＝0）

圖9為不同縱向間距時(shí)旋翼槳尖渦位移隨方位角的變化。圖中對(duì)應(yīng)的軸向間距為0.2R，前進(jìn)比μ＝0.1，總距為9°。由圖可見，前飛狀態(tài)下，雙旋翼時(shí)的槳尖渦徑向收縮比單旋翼時(shí)要更大些，這與前飛尾跡的偏斜有關(guān)。而槳尖渦軸向位移比單旋翼時(shí)要大。

圖9 不同縱向間距時(shí)旋翼槳尖渦位移隨方位角的變化（φ7＝9°，μ＝0.1）Fig.9 The displacement of aft rotor blade tip vortices with wake age in different longitudinal distances（φ7＝9°，μ＝0.1）

圖10給出的是縱向間距1.3R、總距9°，不同軸向間距時(shí)的旋翼槳尖渦位移隨方位角的變化。對(duì)應(yīng)的前進(jìn)比為μ＝0.1。可見，不同軸向間距對(duì)縱列式旋翼的槳尖渦位移有一定的影響，且在方位角大時(shí)影響更為明顯。

圖10 不同軸向間距時(shí)旋翼槳尖渦位移隨方位角的變化（φ7＝9°，μ＝0.1）Fig.10 The displacement of aft rotor blade tip vortices with wake age in different axial distances（φ7＝9°，μ＝0.1）

4 結(jié) 論

（1）懸停狀態(tài)，無論是縱列式雙旋翼還是單旋翼情況，隨著渦齡角的增大，槳尖渦的徑向位置都會(huì)越來越向里移動(dòng)，軸向運(yùn)動(dòng)越來越向下。雙旋翼時(shí)槳尖渦的軸向位移要大于單旋翼，但徑向收縮不如單旋翼明顯。

（2）前飛時(shí)單旋翼的槳尖渦隨著方位角的增大，徑向位置會(huì)越來越向里移動(dòng)，沿軸向仍向下移動(dòng)，但相對(duì)懸停時(shí)要慢。雙旋翼情況時(shí)，其向下的軸向運(yùn)動(dòng)速度都比單旋翼時(shí)更快，徑向收縮也略大于單旋翼的情況。

（3）懸停狀態(tài)，槳尖渦軸向位移隨兩旋翼縱向間距的增加而不斷增大，但徑向位移并不是隨縱向間距的變化而規(guī)律變化，在縱向間距為1.8R附近時(shí)最小；軸向間距的變化對(duì)槳尖渦的徑向和軸向位移都有影響，但變化都不是很大。

（4）前飛時(shí)不同氣動(dòng)布局對(duì)縱列式旋翼的槳尖渦位移有一定的影響，且在方位角大時(shí)影響更為明顯。

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