直升機(jī)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展

陶文強(qiáng)

摘 要：目前，旋翼動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，，但是離人們的期望水平仍有一定差距。隨著直升機(jī)的高、大型化發(fā)展，直升機(jī)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)也會(huì)越來(lái)越突出旋翼的研究有著廣闊前景。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);旋翼空氣;動(dòng)力學(xué);發(fā)展

1 直升機(jī)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)特性

與固定翼相比，旋翼空氣動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性主要包括：

旋翼所產(chǎn)生的尾渦結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，始終在旋翼下方附近，主宰著整個(gè)流場(chǎng)，嚴(yán)重地改變了槳葉的有效迎角，從而影響旋翼的氣動(dòng)性能;直升機(jī)在低速下降過(guò)程中，前行槳葉產(chǎn)生的槳尖渦會(huì)與后行槳葉產(chǎn)生葉渦干擾（Blade-Vortex Interaction，BVI） 現(xiàn)象;前飛狀態(tài)下，前行槳葉的相對(duì)速度較大，而后行槳葉的相對(duì)速度較小，后行槳葉為了獲得足夠的升力，必須工作在大迎角狀態(tài)，這樣很容易產(chǎn)生大分離流動(dòng)，甚至動(dòng)態(tài)失速;前行槳葉的相對(duì)速度較大，靠近槳尖區(qū)一般都會(huì)有激波產(chǎn)生，激波較強(qiáng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生激波-附面層的干擾現(xiàn)象，并誘導(dǎo)邊界層發(fā)生分離;旋翼流場(chǎng)高低速并存，在跨音速態(tài)下，槳尖有激波產(chǎn)生，槳轂區(qū)為不可壓區(qū)。旋翼流動(dòng)的這些復(fù)雜特征給旋翼流場(chǎng)的數(shù)值模擬帶來(lái)了很大的困難。

2 旋翼氣動(dòng)理論

2.1 旋翼滑流理論

旋翼滑流理論或動(dòng)量理論的起源可追溯到19世紀(jì)的船用螺旋槳的研究。20世紀(jì)初，Betz將動(dòng)量理論擴(kuò)展應(yīng)用于飛機(jī)的螺槳。1926年，Glauert進(jìn)一步將動(dòng)量理論用于前飛中的旋翼，為旋翼動(dòng)力學(xué)之始。動(dòng)量理論采用均勻滑流的假設(shè)，把旋翼看成一個(gè)無(wú)限薄的槳盤，應(yīng)用流體流動(dòng)的基本定律來(lái)研究旋翼槳盤對(duì)氣流的作用。動(dòng)量理論是一種宏觀上的分析，它的特點(diǎn)是計(jì)算模型簡(jiǎn)單，主要用于旋翼誘導(dǎo)氣流及旋翼性能的初步估算，在直升機(jī)性能計(jì)算、總體參數(shù)選擇等分析中使用。動(dòng)量理論的缺點(diǎn)是采用了誘速均與的假設(shè)，且不能涉及旋翼槳葉的幾何特性，因此，涉及槳葉幾何特性的旋翼動(dòng)力學(xué)分析需考慮到槳葉葉素的氣動(dòng)特性。

2.2 槳葉葉素理論

槳葉葉素理論最早由Drzew iwcki在19世紀(jì)末提出，是機(jī)翼升力線理論在旋翼槳葉中的應(yīng)用。它把槳葉看成由無(wú)限多的槳葉微段或葉素構(gòu)成。假設(shè)每個(gè)槳葉剖面作為一個(gè)二維翼型來(lái)產(chǎn)生氣動(dòng)作用，通過(guò)誘導(dǎo)速度計(jì)入尾流（三維效應(yīng)）的影響，因此在各槳葉微段上，可應(yīng)用二維翼型特性確定槳葉剖面的氣動(dòng)力和力矩，沿槳葉徑向積分可得一片槳葉進(jìn)而整個(gè)旋翼的氣動(dòng)力和力矩。旋翼的氣動(dòng)性能取決于剖面的入流特性和升阻特性，而升阻特性與當(dāng)?shù)仄拭嬗菑亩c當(dāng)?shù)卣T導(dǎo)速度密切相關(guān)，因此，使用葉素理論確定旋翼氣動(dòng)特性，當(dāng)?shù)卣T速的計(jì)算是一個(gè)關(guān)鍵?？刹捎脛?dòng)量理論、渦流理論等計(jì)算誘導(dǎo)速度，后者能給出較準(zhǔn)確的誘速分布。槳葉葉素理論為旋翼空氣動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，它涉及槳葉的細(xì)節(jié)流動(dòng)和載荷，使旋翼性能與設(shè)計(jì)參數(shù)相聯(lián)系，可直接用于旋翼的設(shè)計(jì)中。但由于升力線是建立在機(jī)翼或槳葉高展弦比的假設(shè)之上，在槳葉載荷和誘導(dǎo)速度梯度過(guò)大的區(qū)域，例如槳尖附近和渦槳干擾的附近，升力線假設(shè)并不滿足，因而葉素理論在這些區(qū)域不是嚴(yán)格正確的。

2.3 旋翼渦流理論

廣義的說(shuō)，旋翼渦流理論包括兩個(gè)問(wèn)題，一是旋翼槳葉渦系的分析，二是旋翼尾跡的分析。旋翼尾跡要比固定翼的復(fù)雜的多，一直是旋翼渦流理論的關(guān)注重點(diǎn)。渦流理論的基礎(chǔ)是Joukowski在本世紀(jì)20年代前后建立的。進(jìn)入50年代，渦流理論受到普遍重視。1961年，我國(guó)學(xué)者王適存考慮縱橫向渦線一般情況，推導(dǎo)了廣義渦流理論，為經(jīng)典渦流理論作出了貢獻(xiàn)。經(jīng)典渦流理論保羅槳盤渦系模型和槳葉渦系模型。前者旋翼被假設(shè)為具有無(wú)限片槳葉的槳盤，尾跡渦線連續(xù)的規(guī)整的不知在圓柱渦面上;后者則由有限片槳葉后拖出的螺旋渦線組成按來(lái)流速度和等效誘導(dǎo)入流確定其延伸方向的剛性尾跡。

2.4 旋翼流場(chǎng)計(jì)算的CFD方法

近年來(lái)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD用于直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究取得了突出的成果。旋翼空氣動(dòng)力學(xué)研究的復(fù)雜和困難集中表現(xiàn)在旋翼渦系和流場(chǎng)。旋翼渦系和流場(chǎng)包含了空氣動(dòng)力學(xué)的多種復(fù)雜特征，如流場(chǎng)整體旋轉(zhuǎn)性、非定常非線性、三維效應(yīng)、流場(chǎng)中的槳尖渦結(jié)構(gòu)、渦槳干擾、后行槳葉局部區(qū)域氣流分離及前行槳葉槳尖跨聲速狀態(tài)等。80年代以來(lái)的研究表明，采用CFD方法能比較正確地給出旋翼在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況下的非定?？諝鈩?dòng)力特性，在計(jì)算直升機(jī)機(jī)身氣動(dòng)特性方面有較高準(zhǔn)確性，可以節(jié)省大量試驗(yàn)。CFD方法在直升機(jī)上的應(yīng)用剛剛開始，可以預(yù)計(jì)，在不久的將來(lái)，CFD作為一種新的分析計(jì)算方法，在直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在旋翼CFD方法中，N-S方程是最高層次的控制方程，它能考慮氣流的粘性，但是直接用N-S方程求解跨音速流場(chǎng)，其網(wǎng)格必須劃分的足夠小，這無(wú)論從目前的計(jì)算機(jī)容量還是計(jì)算機(jī)速度來(lái)說(shuō)都是不現(xiàn)實(shí)的，因此必須對(duì)N-S方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

2.5 柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

近20多年來(lái)直升機(jī)技術(shù)特別是旋翼技術(shù)的迅猛發(fā)展，很大程度上得益于復(fù)合材料的應(yīng)用。復(fù)合材料的采用為旋翼槳葉氣動(dòng)外形的改進(jìn)和優(yōu)化及旋翼動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化提供了可能，更重要的是復(fù)合材料使在交變載荷作用下的旋翼壽命大幅度提高;復(fù)合材料在機(jī)身上的應(yīng)用正在迅速發(fā)展，在傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用也已提上日程。最近迅速發(fā)展起來(lái)的智能復(fù)合材料將為直升機(jī)技術(shù)的發(fā)展開辟新的天地。智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)是國(guó)外80年代在復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，它把傳感器陣列、光電器件、微型處理機(jī)等嵌埋在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，形成既能承載又具有某些特定功能的結(jié)構(gòu)材料。智能結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生為實(shí)現(xiàn)旋翼的自適應(yīng)控制提供了可能。

3 結(jié)論

旋翼空氣動(dòng)力學(xué)是功率型飛行器（包括直升機(jī)、螺旋槳飛機(jī)及旋翼機(jī)等）的空氣動(dòng)力學(xué)的核心內(nèi)容。直升機(jī)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是直升機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的先導(dǎo)并且是具有全局性影響的重要研究問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]王適存，徐國(guó)華.直升機(jī)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33（3）：203-211.

[2]陳平劍，李春華.直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].直升機(jī)技術(shù)，2009，（3）.

[3]李文浩.復(fù)合式高速直升機(jī)旋翼/機(jī)身氣動(dòng)干擾特性的CFD分析[D].南京航空航天大學(xué)，2012.