直升机空气动力学-涡流理论.ppt

1、南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics直升机空气动力学直升机空气动力学南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technolog

2、y直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics第三章第三章 垂直飞行时的涡流理论垂直飞行时的涡流理论 1 1、涡流基本概念、涡流基本概念 2 2、旋翼涡系、旋翼涡系 3 3、旋翼的诱导速度、旋翼的诱导速度 4 4、旋翼拉力和功率的修正系数、旋翼拉力和功率的修正系数南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学H

3、elicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第一节第一节 基本概念基本概念1-1 1-1 升力面的尾涡升力面的尾涡 升力面的上、下气流有压差，在端部形成绕流升力面的上、下气流有压差，在端部形成绕流（漩涡）。漩涡随气流延伸，成为（漩涡）。漩涡随气流延伸，成为升力面的尾涡升力面的尾涡。如机翼。如机翼。当升力面的速度环当升力面的速度环量改变时，有与升力面量改变时，有与升力面平行的涡逸出，称为脱平行的涡逸出，称为脱体涡。体涡。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技

4、术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 旋翼桨叶的尾涡旋翼桨叶的尾涡 呈螺旋线状呈螺旋线状 照片说明：照片说明：漩涡中气压低，潮湿空漩涡中气压低，潮湿空 气中的水汽凝结为云，气中的水汽凝结为云，显示出涡的轨迹显示出涡的轨迹。讨论：讨论：你所见到的漩涡及其形成的原因你所见到的漩涡及其形成的原因南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技

5、术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics1-2 1-2 涡的诱导速度涡的诱导速度 漩涡引起周围流体的速度和压强变化漩涡引起周围流体的速度和压强变化 涡涡 涡的诱导速度用涡的诱导速度用毕奥毕奥沙瓦定理沙瓦定理计算计算 速度速度 Y Y向向 压强压强 式中式中 是涡元是涡元 到计算点到计算点MM 的矢径，的矢径，是涡的环量。是涡的环量。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronaut

6、ics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics1-3 1-3 旋翼涡流理论的基本思路旋翼涡流理论的基本思路 旋翼对周围空气流速的影响（诱导作用），用一涡系旋翼对周围空气流速的影响（诱导作用），用一涡系的作用来代替，用来计算旋翼的诱导流场。的作用来代替，用来计算旋翼的诱导流场。关键是构建适当的涡系：关键是构建适当的涡系：能逼真地代表旋翼的作用，即此涡系的诱导速度场与能逼真地代表旋翼的作用，即

7、此涡系的诱导速度场与旋翼的尽可能相同。此外，便于计算涡系的诱导速度。旋翼的尽可能相同。此外，便于计算涡系的诱导速度。如：最简单的机翼涡系如：最简单的机翼涡系南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics简单的旋翼桨尖涡系简单的旋翼桨尖涡系悬停悬停 低速前飞低速前飞 高速前飞高速前飞南京航空航天大学南

8、京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第二节第二节 常用的旋翼涡系模型常用的旋翼涡系模型2-1 2-1 固定涡系（经典涡系）固定涡系（经典涡系）参照诱导流场，设定涡线或涡面的构成和形状，参照诱导流场，设定涡线或涡面的构成和形状，如：如：螺旋面涡系螺旋面涡系，圆环涡系圆环涡系，偶极子涡系偶极子涡系，涡柱涡系涡

9、柱涡系等等南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 2-2 2-2 预定涡系预定涡系 根据流态显示试验得到的涡线形状和位置，设根据流态显示试验得到的涡线形状和位置，设定涡系结构。定涡系结构。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&As

10、tronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 2-3 2-3 自由涡系自由涡系 依据自由涡线在流场中依据自由涡线在流场中不受力条件，让涡线随气流不受力条件，让涡线随气流自由延伸。自由延伸。流速分布与涡线形状同流速分布与涡线形状同步迭代计算，逐步近似直至收敛。步迭代计算，逐步近似直至收敛。计入了涡系形状的畸变。计入了涡系形状的畸变。讨论：三类涡系的优缺点和适用性讨论：三类涡系的优缺点和适用性南京航空航

11、天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第三节第三节 旋翼圆筒涡系旋翼圆筒涡系3-1 3-1 基本假定基本假定 除假定除假定空气是无粘性、不可压缩的空气是无粘性、不可压缩的气体外，还假定：气体外，还假定：气流是定常的气流是定常的（相当于无限多片桨叶）（相当于无限多片桨叶）；桨叶环量沿半径不变桨叶环量沿

12、半径不变（只在桨尖有尾涡逸出）（只在桨尖有尾涡逸出）；不计径向诱速、周向诱速对涡线延伸方向的影响；不计径向诱速、周向诱速对涡线延伸方向的影响；轴向诱速对涡线延伸方向的影响，用桨盘处的等效轴向诱速对涡线延伸方向的影响，用桨盘处的等效诱导速度来代表；诱导速度来代表；旋翼桨叶的挥舞角度角略去不计；旋翼桨叶的挥舞角度角略去不计；南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterH

13、elicopter AerodynamicsAerodynamics3-2 3-2 轴向气流中的旋翼涡系构成轴向气流中的旋翼涡系构成 1 1）附着涡盘）附着涡盘 旋翼有旋翼有k k 片桨叶，每片桨叶环量为片桨叶，每片桨叶环量为，假设假设 k k的总环量的总环量均匀分布在桨盘上，均匀分布在桨盘上，即：在桨盘有无限多的强度无限小的即：在桨盘有无限多的强度无限小的附着涡。附着涡。桨盘平面上，中心角为桨盘平面上，中心角为 的微元中，的微元中，附着环量为附着环量为 。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究

14、所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics2 2）桨尖涡的园柱面）桨尖涡的园柱面 在叶尖处，每个微元附着涡转换成在叶尖处，每个微元附着涡转换成一条桨尖涡顺流逸出，它与桨盘圆周一条桨尖涡顺流逸出，它与桨盘圆周形成形成 角度的螺旋线。角度的螺旋线。全部螺旋线桨尖涡形成圆筒形涡面。全部螺旋线桨尖涡形成圆筒形涡面。3 3）中央涡束）中央涡束 在叶根处，附着涡汇集成环量为在叶根处，附着涡汇集成环量为k k的的中央涡束沿轴进入。中央涡束沿轴进

15、入。讨论：中央涡束应多长？讨论：中央涡束应多长？南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 第四节第四节 桨盘平面处的轴向诱导速度计算桨盘平面处的轴向诱导速度计算涡的诱导速度用涡的诱导速度用毕奥毕奥沙瓦定理沙瓦定理计算计算在直角坐标系中的三分量为在直角坐标系中的三分量为南京航空航天大学南京航空航

16、天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter Technology直升机空气动力学直升机空气动力学HelicopterHelicopter AerodynamicsAerodynamics 4-1 4-1 轴向（轴向（y y 向）诱导速度向）诱导速度4-1-1 4-1-1 圆筒涡面的轴向诱导速度圆筒涡面的轴向诱导速度 筒面上任一点筒面上任一点 A A 处的涡元处的涡元 ，在，在桨盘平面上桨盘平面上 点的轴向诱导速度为：点的轴向诱导速度为：表示表示 A A0 0 与与 M M0 0 之间的距离，之间的距离，表示极表示极坐标轴到坐标轴到A A0 0M M0 0的夹角。的夹角。A A0 0 是涡元是涡元 在桨盘平面上的投影在桨盘平面上的投影 的所在点。的所在点。南京航空航天大学南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics&Astronautics直升机技术研究所直升机技术研究所Institute of Helicopter