王穎

中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 030051

1 前言

1.1 研究目的和意義

與我們熟知的固定機(jī)翼飛機(jī)相比，直升機(jī)有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，那就是可以做低空、低速和機(jī)頭方向不變的機(jī)動(dòng)飛行[1]。這些優(yōu)點(diǎn)完全得益于旋翼的設(shè)計(jì)[2]。

合適的翼型必須滿(mǎn)足直升機(jī)機(jī)動(dòng)性要求、快速巡航要求和懸停要求。首先，要根據(jù)直升機(jī)的過(guò)載要求來(lái)決定弦長(zhǎng)；其次，扭轉(zhuǎn)角沿半徑的分布與槳葉平面形狀即寬度分布相組合,可使槳葉氣動(dòng)環(huán)量分布趨于均勻，提高槳葉效能[3]。

2 基本理論

2.1 流體的連續(xù)性方程

t時(shí)刻在流場(chǎng)中任取一個(gè)控制體，其體積為τ，封閉表面積為A，在τ中的微元體積dτ中，可假定其密度ρ和速度V相同。則dτ內(nèi)流體質(zhì)量為：dm=ρdτ，τ內(nèi)流體的總質(zhì)量為m=∫dm=∫x(t)ρdτ，質(zhì)量守恒就意味著：

根據(jù)隨體導(dǎo)數(shù)，令φ=ρ，得到：

當(dāng)流體為定常流動(dòng)時(shí)，若所選擇的控制體中，只有一個(gè)進(jìn)口截面A1和一個(gè)出口截面A2，在一維管流中，對(duì)于不可壓縮流體的一維流動(dòng)，可簡(jiǎn)化為：

由此看出，當(dāng)?shù)退俣ǔＡ鲃?dòng)時(shí)，流體速度的大小與流管的截面積成反比[4]。

2.2 伯努利定理

能量守恒定律可表述為：

在t時(shí)刻，內(nèi)流體所具有的總能量E為：

包括輻射熱和傳導(dǎo)熱，可寫(xiě)成：

∑N是單位時(shí)間內(nèi)由外力對(duì)τ內(nèi)流體所做的功，可表示為：

式（2-5）、（2-6）和式（2-7）代入式（2-4），可得：

對(duì)于一維管流，設(shè)體積力只有重力，流體定常，簡(jiǎn)化得到：

綜合這兩個(gè)定理，我們可以得出如下結(jié)論：低速定常流動(dòng)的流體，流過(guò)的截面積大的地方，速度小，壓強(qiáng)大；而截面積小的地方，流速大，壓強(qiáng)小[5]。

3 槳葉流場(chǎng)仿真計(jì)算

3.1 簡(jiǎn)化槳葉模型

本研究中的旋翼槳葉，由于主要考慮弦長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)角和翼型方面影響，模型如下圖：

圖3.1 NACA0016-30-25旋翼模型圖

3.2 整理數(shù)據(jù)參數(shù)

整理計(jì)算過(guò)程中所需參數(shù)如下表：

表3.1 基本參數(shù)

4 旋翼槳葉氣動(dòng)性能分析

4.1 槳葉弦長(zhǎng)對(duì)氣動(dòng)性能的影響

4.1.1 槳葉各截面壓力分布。選取單片槳葉的特征刨面（z=4000mm），對(duì)不同旋翼槳葉截面的壓強(qiáng)分布云圖進(jìn)行比較，以下為400mm弦長(zhǎng)旋翼（左）和500mm弦長(zhǎng)旋翼（右）的比較。

圖4.1 z=4000mm截面壓強(qiáng)分布云圖

由圖4.1可以看出，弦長(zhǎng)為400mm時(shí)，與弦長(zhǎng)為500mm時(shí)，每個(gè)截面的壓強(qiáng)分布形狀與數(shù)值都相差不大。可以推論，由于弦長(zhǎng)為500mm時(shí)，面積較400mm時(shí)會(huì)增大，從而升力阻力都會(huì)增加。

4.1.2 槳葉總受力。根據(jù)Fluent計(jì)算出的受力數(shù)值，對(duì)沿氣流方向（X向）、垂直氣流方向（Y向）和翼展方向（Z軸）的力整理列表如下：

表4.1 受力比較

首先，500mm弦長(zhǎng)翼型與400mm相比，Y向的壓力增大，表明升力增大，同時(shí)X向的壓力和粘性力也增大，這是因?yàn)橄议L(zhǎng)增大，旋翼面積增大，從而使升力和阻力都增大，還因?yàn)樾砻娣e和迎風(fēng)面積都增大，摩擦阻力和壓差阻力都相應(yīng)增加，這與理論是相符合的。

由表4.1知，400mm弦長(zhǎng)和500mm均滿(mǎn)足重量要求。

4.2 槳葉扭轉(zhuǎn)角對(duì)氣動(dòng)性能的影響

4.2.1 槳葉各截面壓力分。選取單片槳葉的特征刨面（z=4000mm），對(duì)不同旋翼槳葉截面的壓強(qiáng)分布云圖進(jìn)行比較，下圖為扭轉(zhuǎn)角為-5O旋翼和-8O旋翼的比較。

圖4.2 z=4000mm截面壓強(qiáng)分布云圖

由圖4.2可以看出，扭轉(zhuǎn)角為-8O時(shí)，各截面上表面壓強(qiáng)均小于-5O時(shí)的壓強(qiáng)，尤其在槳尖處截面尤為明顯。

4.2.2 槳葉總受力。根據(jù)Fluent計(jì)算出的受力數(shù)值，對(duì)沿氣流方向（X向）和垂直氣流方向（Y向）的力整理列表如下：

表4.2 受力比較表

從表中Y向壓力能看出升力的增加，X向的壓力比較可以明顯看出阻力增大。這是由于角度增加，引起的上下表面壓差增大，而角度增大，在沿空氣運(yùn)動(dòng)方向的分力增大，即誘導(dǎo)阻力增大。而迎風(fēng)面積增大，壓差阻力也隨之增大。因?yàn)橹皇桥まD(zhuǎn)角改變，表面面積沒(méi)有改變，所以X向粘性力變化不大。

由表4.2知，-5O扭轉(zhuǎn)角和-8O均滿(mǎn)足重量要求。

4.3 槳葉翼型對(duì)氣動(dòng)性能的影響

4.3.1 槳葉各截面壓力分布。選取單片槳葉的特征刨面（z=4000mm），對(duì)不同旋翼槳葉截面的壓強(qiáng)云圖進(jìn)行比較，下圖左為NACA0016-30-25旋翼。

圖4.3 z=4000mm截面壓強(qiáng)分布云圖

由圖4.3可以看出，不對(duì)稱(chēng)翼型NACA4412與對(duì)稱(chēng)翼型NACA0016-30-25的壓強(qiáng)分布完全不一樣，明顯可以看出NACA4412的下翼面的壓強(qiáng)大于NACA0016-30-25。

4.3.2 槳葉總受力。根據(jù)Fluent計(jì)算出的受力數(shù)值，對(duì)沿氣流方向（X向）和垂直氣流方向（Y向）的力整理列表如下：

表4.3 受力比較表

從表中Y向壓力能看出升力的增加，這是因?yàn)榉菍?duì)稱(chēng)的翼型NACA4412大于對(duì)稱(chēng)翼型NACA0016-30-25，根據(jù)升力公式，得出NACA4412升力較大。其它值相差不大。

由表4.3知，NACA0016-30-25翼型和NACA4412均滿(mǎn)足重量要求。

5 總結(jié)

本文對(duì)不同翼型、不同弦長(zhǎng)和不同扭轉(zhuǎn)角的旋翼的葉片三維流場(chǎng)進(jìn)行了研究，進(jìn)行了氣動(dòng)分析比較。壓力分布云圖顯示，上表面壓力低于下表面壓力，從而產(chǎn)生升阻力，這基本符合旋翼氣動(dòng)力中升阻力的形成原理。

對(duì)比結(jié)果表明：1、在不考慮高速飛行（雷諾數(shù)）和飛行失速的情況下，扭轉(zhuǎn)角增大，升力和阻力也會(huì)隨著增加；2、翼型、迎角不變，弦長(zhǎng)增加，導(dǎo)致面積增大，升阻力增加；3、有彎度的旋翼槳葉比對(duì)稱(chēng)翼型的槳葉在相同迎角時(shí)升力較大。這基本符合直升機(jī)槳葉外形對(duì)氣動(dòng)性能的影響，表明我們對(duì)旋翼槳葉進(jìn)行仿真的方法是正確的。

[1]文裕武，溫清澄.現(xiàn)代直升機(jī)應(yīng)用及發(fā)展[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[2]曹義華.直升機(jī)的穩(wěn)定性和操縱性[M].南京航空航天大學(xué)碩士論文，1987.

[3]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.

[4]林建忠等.流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]陳卓如.工程流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1992.