直升机旋翼空气动力学的发展

陶文强

摘 要：目前，旋翼动力学研究已经取得了很大的进展，，但是离人们的期望水平仍有一定差距。随着直升机的高、大型化发展，直升机旋翼空气动力学问也会越来越突出旋翼的研究有着广阔前景。

关键词：直升机;旋翼空气;动力学;发展

1 直升机旋翼空气动力学特性

与固定翼相比，旋翼空气动力学的复杂性主要包括：

旋翼所产生的尾涡结构比较复杂，始终在旋翼下方附近，主宰着整个流场，严重地改变了桨叶的有效迎角，从而影响旋翼的气动性能;直升机在低速下降过程中，前行桨叶产生的桨尖涡会与后行桨叶产生叶涡干扰（Blade-Vortex Interaction，BVI） 现象;前飞状态下，前行桨叶的相对速度较大，而后行桨叶的相对速度较小，后行桨叶为了获得足够的升力，必须工作在大迎角状态，这样很容易产生大分离流动，甚至动态失速;前行桨叶的相对速度较大，靠近桨尖区一般都会有激波产生，激波较强时会产生激波-附面层的干扰现象，并诱导边界层发生分离;旋翼流场高低速并存，在跨音速态下，桨尖有激波产生，桨毂区为不可压区。旋翼流动的这些复杂特征给旋翼流场的数值模拟带来了很大的困难。

2 旋翼气动理论

2.1 旋翼滑流理论

旋翼滑流理论或动量理论的起源可追溯到19世纪的船用螺旋桨的研究。20世纪初，Betz将动量理论扩展应用于飞机的螺桨。1926年，Glauert进一步将动量理论用于前飞中的旋翼，为旋翼动力学之始。动量理论采用均匀滑流的假设，把旋翼看成一个无限薄的桨盘，应用流体流动的基本定律来研究旋翼桨盘对气流的作用。动量理论是一种宏观上的分析，它的特点是计算模型简单，主要用于旋翼诱导气流及旋翼性能的初步估算，在直升机性能计算、总体参数选择等分析中使用。动量理论的缺点是采用了诱速均与的假设，且不能涉及旋翼桨叶的几何特性，因此，涉及桨叶几何特性的旋翼动力学分析需考虑到桨叶叶素的气动特性。

2.2 桨叶叶素理论

桨叶叶素理论最早由Drzew iwcki在19世纪末提出，是机翼升力线理论在旋翼桨叶中的应用。它把桨叶看成由无限多的桨叶微段或叶素构成。假设每个桨叶剖面作为一个二维翼型来产生气动作用，通过诱导速度计入尾流（三维效应）的影响，因此在各桨叶微段上，可应用二维翼型特性确定桨叶剖面的气动力和力矩，沿桨叶径向积分可得一片桨叶进而整个旋翼的气动力和力矩。旋翼的气动性能取决于剖面的入流特性和升阻特性，而升阻特性与当地剖面迎角从而与當地诱导速度密切相关，因此，使用叶素理论确定旋翼气动特性，当地诱速的计算是一个关键。可采用动量理论、涡流理论等计算诱导速度，后者能给出较准确的诱速分布。桨叶叶素理论为旋翼空气动力学奠定了基础，它涉及桨叶的细节流动和载荷，使旋翼性能与设计参数相联系，可直接用于旋翼的设计中。但由于升力线是建立在机翼或桨叶高展弦比的假设之上，在桨叶载荷和诱导速度梯度过大的区域，例如桨尖附近和涡桨干扰的附近，升力线假设并不满足，因而叶素理论在这些区域不是严格正确的。

2.3 旋翼涡流理论

广义的说，旋翼涡流理论包括两个问题，一是旋翼桨叶涡系的分析，二是旋翼尾迹的分析。旋翼尾迹要比固定翼的复杂的多，一直是旋翼涡流理论的关注重点。涡流理论的基础是Joukowski在本世纪20年代前后建立的。进入50年代，涡流理论受到普遍重视。1961年，我国学者王适存考虑纵横向涡线一般情况，推导了广义涡流理论，为经典涡流理论作出了贡献。经典涡流理论保罗桨盘涡系模型和桨叶涡系模型。前者旋翼被假设为具有无限片桨叶的桨盘，尾迹涡线连续的规整的不知在圆柱涡面上;后者则由有限片桨叶后拖出的螺旋涡线组成按来流速度和等效诱导入流确定其延伸方向的刚性尾迹。

2.4 旋翼流场计算的CFD方法

近年来，计算流体动力学CFD用于直升机空气动力学研究取得了突出的成果。旋翼空气动力学研究的复杂和困难集中表现在旋翼涡系和流场。旋翼涡系和流场包含了空气动力学的多种复杂特征，如流场整体旋转性、非定常非线性、三维效应、流场中的桨尖涡结构、涡桨干扰、后行桨叶局部区域气流分离及前行桨叶桨尖跨声速状态等。80年代以来的研究表明，采用CFD方法能比较正确地给出旋翼在复杂运动情况下的非定常空气动力特性，在计算直升机机身气动特性方面有较高准确性，可以节省大量试验。CFD方法在直升机上的应用刚刚开始，可以预计，在不久的将来，CFD作为一种新的分析计算方法，在直升机技术的发展中将得到越来越广泛的应用。在旋翼CFD方法中，N-S方程是最高层次的控制方程，它能考虑气流的粘性，但是直接用N-S方程求解跨音速流场，其网格必须划分的足够小，这无论从目前的计算机容量还是计算机速度来说都是不现实的，因此必须对N-S方程进行适当的简化。

2.5 柔性多体系统动力学

近20多年来直升机技术特别是旋翼技术的迅猛发展，很大程度上得益于复合材料的应用。复合材料的采用为旋翼桨叶气动外形的改进和优化及旋翼动力学特性优化提供了可能，更重要的是复合材料使在交变载荷作用下的旋翼寿命大幅度提高;复合材料在机身上的应用正在迅速发展，在传动系统中的应用也已提上日程。最近迅速发展起来的智能复合材料将为直升机技术的发展开辟新的天地。智能复合材料与结构是国外80年代在复合材料基础上发展起来的高新技术，它把传感器阵列、光电器件、微型处理机等嵌埋在复合材料结构中，形成既能承载又具有某些特定功能的结构材料。智能结构的产生为实现旋翼的自适应控制提供了可能。

3 结论

旋翼空气动力学是功率型飞行器（包括直升机、螺旋桨飞机及旋翼机等）的空气动力学的核心内容。直升机旋翼空气动力学问题是直升机设计过程中的先导并且是具有全局性影响的重要研究问题。

参考文献

[1]王适存，徐国华.直升机旋翼空气动力学的发展[J].南京航空航天大学学报，2001，33（3）：203-211.

[2]陈平剑，李春华.直升机空气动力学现状和发展趋势[J].直升机技术，2009，（3）.

[3]李文浩.复合式高速直升机旋翼/机身气动干扰特性的CFD分析[D].南京航空航天大学，2012.