以多架直升机近距离起降为研究背景,采用基于运动嵌套网格技术的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法开展旋翼间的气动干扰研究,重点分析了旋翼间距和环境风速对旋翼升力系数和扭矩系数的影响。数值分析结果表明,旋翼之间的气动干扰对上风位置旋翼的影响较小,但会导致下风位置旋翼的升力系数降低,扭矩系数增加,且其影响随着旋翼间距的增加而降低,随着环境风速的增加而增加。

为了获得共轴双旋翼的最佳气动性能,对不同旋翼间距比的共轴双旋翼无人机进行了试验和数值模拟。首先,对共轴双旋翼的气动性能参数进行了理论分析。然后,构造共轴双旋翼模型进行数值模拟,并通过自行设计的试验获得了升力和功率。同时,将试验获得的升力和功耗转化为功率载荷和悬停效率进行气动分析。最后,结合试验和仿真结果表明,工作转速2 200 r/min下,与i=0.75在相比,当间距比i=0.385时,功率载荷提高了1.5%,总效率提高了大约5.64%。该间距比下的气动性能较好,可以作为共轴旋翼无人机的最佳气动布局。

为设计合理的旋翼布局来展现出共轴双旋翼系统的气动性能,通过搭建试验平台测量了共轴双旋翼飞行器的间距比为0.32R-0.75R的功耗和升力。另外,采用ANSYS建立了共轴双旋翼飞行器的全尺寸模型,并进行了一系列仿真,得到了不同间距下共轴双旋翼的压强、速度和流线分布。分析结果表明共轴双旋翼间的气动干扰在合适的间距下被削弱,此时桨尖涡流完整。同时,整体的升力比单旋翼至少可以提升58%,最高可以提升72%。此外,还发现在产生相同升力时,在较低转速下产生的功率载荷PL值比较大。最后,值得注意的是,在旋翼间距h为0.385R时的气动性能较良好,是共轴双旋翼单元最佳的布局。

基于动量叶素理论明确了旋翼的入流分布情况,建立了适用于共轴双旋翼的气动计算模型,通过所研制的气动试验平台对共轴双旋翼的气动特性(拉力、扭矩及功耗)进行了测试,着重分析了悬停状态下旋翼转速及间距的变化对系统气动性能的影响,探索最优的气动布局。实验结果表明共轴双旋翼系统中旋翼间距的变化对总拉力的影响并不显著,但是下旋翼产生的拉力明显小于上旋翼,系统中下旋翼仅提供了43.8%~45.1%的拉力,适当增大下旋翼桨距和扭转角等参数有助于提高系统的整体性能;下旋翼的存在极大抑制上旋翼尾流的收缩,上旋翼尾流收缩的实际边界面积比理想边界增加了15%左右;当双桨间距为0.40R时,下旋翼产生的拉力最大,系统净扭矩最小,气动布局最优。

为研究悬停状态下不同翼间距对微型四旋翼飞行器气动性能的影响,结合整机试验和数值模拟,分析了不同旋翼间距下微型四旋翼飞行器拉力和功耗的变化规律。在样机试验中,通过搭建试验平台对间距比l/d范围1.1~2.0的微型四旋翼飞行器进行了拉力和功耗的测量,确定了相同功耗条件下具有较大拉力的最佳旋翼间距范围。为更直观地得到旋翼间气动干扰对整机气动性能的影响,通过CFD方法对微型四旋翼飞行器流场进行了仿真,得到了不同间距下的压力、流线和涡量分布情况,进而对四旋翼飞行器在不同旋翼间距下表现出的不同气动特性进行对比。结果表明,与无干扰状态下的孤立单旋翼相比,四旋翼间存在的气动干扰在合理的旋翼间距下可以保持涡流完整,并有助于提升四旋翼系统的拉力。最后,通过试验和仿真对比发现,在旋翼间距为1.8d时,四旋翼飞行器具有较...