为了研究高速直升机的动力推进装置,基于螺旋桨片条理论和环量优化设计理论对高速直升机尾推螺旋桨进行了气动优化设计和气动性能计算.在设计过程中,以高速飞行工况(H=2000 m,v=400 km/h)为设计点,完成了一款直径D=2.5 m高速直升机尾推螺旋桨的气动方案,给出了螺旋桨桨叶最优环量、弦长以及扭转角分布.基于采用片条理论计算了在不同工况下螺旋桨的气动性能,结果表明该螺旋桨在较宽的前进比范围内均能保持较高效率(η=0.80~0.85).同时采用CFD数值模拟方法完成了2个典型状态点(静止状态v=0 km/h、高速状态v=400 km/h)的气动性能分析,获取了螺旋桨气动性能参数和流场信息,其中数值计算的拉力系数和效率值与理论计算值相差1%~2%,从而验证了复合式高速直升机尾推螺旋桨气动设计方案可靠性.

为了研究桨距角的大小对螺旋桨的整体气动性能的影响,基于滑移网格和动网格技术,使用CFD软件求解非定常不可压流动的N-S方程和S-A湍流模型,分别对桨距角静态变化和动态变化下的螺旋桨气动特性进行了模拟分析,桨距角静态变化角度分别为0°,3°和6°,桨距角动态变化时桨距角按照正弦变化曲线从0°增大到4°.数值计算结果表明:在桨距角静态变化过程中,螺旋桨的拉力和扭矩均随桨距角的增大而增大,而效率降低,相对于桨距角0°,桨距角3°时的拉力提高了20%～30%、扭矩提高了将近30%～40%.在桨距角动态变化过程中,随着桨距角的增加,拉力、扭矩及需用功率均呈线性增加,效率减小,此外,桨距角静态变化时的桨距角3°与桨距角从0°增大到4°动态变化时的桨距角3°所对应的气动参数大致相同.

为了研究侧风对螺旋桨气动性能的影响，基于滑移网格技术，使用CFD软件求解非定常不可压流动的N-S方程和S-A湍流模型，数值模拟不同侧风倾角下螺旋桨的气动特性.数值计算结果表明:在侧风条件下，螺旋桨的瞬时气动力，包括拉力、侧向力和扭矩，在旋转一周的过程中呈现周期性非定常变化，并且这种周期性变化随侧风倾角的增大更加明显.将一个周期内的瞬时气动力时均化处理得到时均气动力，时均的拉力、侧向力、扭矩以及效率均随倾角的增大而增大，由于拉力的增加幅度大于扭矩的增加幅度，螺旋桨时均效率从0°倾角的54.3%增加到30°倾角的64.3%.通过分析桨叶表面压力分布得出，螺旋桨桨叶迎风面和背风面的共同作用导致螺旋桨气动力的非定常变化，在螺旋桨旋转过程中，迎风面压力增大和背风面吸力增大导致气动力增大，迎风面压力减小和背风