直升機空氣動力學渦流理論ppt課件

1、第三章第三章 垂直飛行時的渦流實際垂直飛行時的渦流實際 1 1、渦流根本概念、渦流根本概念 2 2、旋翼渦系、旋翼渦系 3 3、旋翼的誘導速度、旋翼的誘導速度 4 4、旋翼拉力和功率的修正、旋翼拉力和功率的修正系數(shù)系數(shù) 第一節(jié)第一節(jié) 根本概念根本概念1-1 升力面的尾渦升力面的尾渦 升力面的上、下氣流有壓差，在端部構成繞流漩渦。升力面的上、下氣流有壓差，在端部構成繞流漩渦。漩渦隨氣流延伸，成為升力面的尾渦。如機翼。漩渦隨氣流延伸，成為升力面的尾渦。如機翼。 當升力面的速度環(huán)當升力面的速度環(huán)量改動時，有與升力面量改動時，有與升力面平行的渦逸出，稱為脫平行的渦逸出，稱為脫體渦。體渦。 旋翼槳葉的尾

2、渦旋翼槳葉的尾渦 呈螺旋線狀呈螺旋線狀 照片闡明：照片闡明： 漩渦中氣壓低，潮濕空漩渦中氣壓低，潮濕空 氣中的水汽凝結為云，氣中的水汽凝結為云， 顯示出渦的軌跡。顯示出渦的軌跡。討論：討論： 他所見到的漩渦及其構成的緣由他所見到的漩渦及其構成的緣由1-2 1-2 渦的誘導速度渦的誘導速度 漩渦引起周圍流體的速度和壓強變化漩渦引起周圍流體的速度和壓強變化 渦渦 渦的誘導速度用畢奧渦的誘導速度用畢奧沙瓦定理計算沙瓦定理計算 速度速度 Y Y向向 壓強壓強 式中式中 是渦元是渦元 到計算點到計算點M M 的的矢徑，矢徑， 是渦的環(huán)量。是渦的環(huán)量。ds 34dsldvl r rr rr r1-3 1-

3、3 旋翼渦流實際的根本思緒旋翼渦流實際的根本思緒 旋翼對周圍空氣流速的影響誘導作用，旋翼對周圍空氣流速的影響誘導作用，用一渦系的作用來替代，用來計算旋翼的誘導用一渦系的作用來替代，用來計算旋翼的誘導流場。流場。 關鍵是構建適當?shù)臏u系：關鍵是構建適當?shù)臏u系： 能逼真地代表旋翼的作用，即此渦系的誘導能逼真地代表旋翼的作用，即此渦系的誘導速度場與旋翼的盡能夠一樣。此外，便于計算速度場與旋翼的盡能夠一樣。此外，便于計算渦系的誘導速度。如：最簡單的機翼渦系渦系的誘導速度。如：最簡單的機翼渦系簡單的旋翼槳尖渦系簡單的旋翼槳尖渦系懸停懸停 低速前飛低速前飛 高速前飛高速前飛 第二節(jié)第二節(jié) 常用的旋翼渦系模型

4、常用的旋翼渦系模型2-1 2-1 固定渦系經(jīng)典渦系固定渦系經(jīng)典渦系 參照誘導流場，設定渦線或渦面的參照誘導流場，設定渦線或渦面的構成和外形，如：螺旋面渦系，圓環(huán)渦構成和外形，如：螺旋面渦系，圓環(huán)渦系，偶極子渦系，渦柱渦系等系，偶極子渦系，渦柱渦系等 2-2 2-2 預定渦系預定渦系 根據(jù)流態(tài)顯示實驗得到的渦線外根據(jù)流態(tài)顯示實驗得到的渦線外形和位置，設定渦系構造。形和位置，設定渦系構造。 2-3 2-3 自在渦系自在渦系 根據(jù)自在渦線在流場中根據(jù)自在渦線在流場中不受力條件，讓渦線隨氣流不受力條件，讓渦線隨氣流自在延伸。自在延伸。 流速分布與渦線外形同流速分布與渦線外形同步迭代計算，逐漸近似直至收

5、斂。步迭代計算，逐漸近似直至收斂。計入了渦系外形的畸變。計入了渦系外形的畸變。討論：三類渦系的優(yōu)缺陷和適用性討論：三類渦系的優(yōu)缺陷和適用性 第三節(jié)第三節(jié) 旋翼圓筒渦系旋翼圓筒渦系3-1 3-1 根本假定根本假定 除假定空氣是無粘性、不可緊縮的氣體外，除假定空氣是無粘性、不可緊縮的氣體外，還假定：還假定： 氣流是定常的相當于無限多片槳葉；氣流是定常的相當于無限多片槳葉； 槳葉環(huán)量沿半徑不變只在槳尖有尾渦逸槳葉環(huán)量沿半徑不變只在槳尖有尾渦逸出；出； 不計徑向誘速、周向誘速對渦線延伸方向的不計徑向誘速、周向誘速對渦線延伸方向的影響；影響； 軸向誘速對渦線延伸方向的影響，用槳盤處軸向誘速對渦線延伸方向

6、的影響，用槳盤處的等效誘導速度來代表；的等效誘導速度來代表； 旋翼槳葉的揮舞角度角略去不計；旋翼槳葉的揮舞角度角略去不計；3-2 3-2 軸向氣流中的旋翼渦系構成軸向氣流中的旋翼渦系構成 1 1附著渦盤附著渦盤 旋翼有旋翼有k k 片槳葉，每片槳葉環(huán)量片槳葉，每片槳葉環(huán)量為為，假設假設 k k的總環(huán)量均勻分布在槳的總環(huán)量均勻分布在槳盤上，盤上，即：在槳盤有無限多的強度無限即：在槳盤有無限多的強度無限小的小的附著渦。附著渦。槳盤平面上，中心角為槳盤平面上，中心角為 的微元的微元中，中，附著環(huán)量為附著環(huán)量為 。 d (/2 )kd 2 2槳尖渦的園柱面槳尖渦的園柱面 在葉尖處，每個微元附著渦轉換成

7、在葉尖處，每個微元附著渦轉換成一條槳尖渦順流逸出，它與槳盤圓周一條槳尖渦順流逸出，它與槳盤圓周構成構成 角度的螺旋線。角度的螺旋線。全部螺旋線槳尖渦構成圓筒形渦面。全部螺旋線槳尖渦構成圓筒形渦面。3 3中央渦束中央渦束 在葉根處，附著渦聚集成環(huán)量為在葉根處，附著渦聚集成環(huán)量為kk的的中央渦束沿軸進入。中央渦束沿軸進入。 討論：中央渦束應多長？討論：中央渦束應多長？1arctan(/)V 第四節(jié)第四節(jié) 槳盤平面處的軸向誘導速度計算槳盤平面處的軸向誘導速度計算渦的誘導速度用畢奧渦的誘導速度用畢奧沙瓦定理計算沙瓦定理計算在直角坐標系中的三分量為在直角坐標系中的三分量為34dsldvl 333()4(

8、)4()4xzyyzyxzzxzyxxydvl dsl dsldvl dsl dsldvl dsl dsl 4-1 軸向軸向y 向誘導速度向誘導速度4-1-1 圓筒渦面的軸向誘導速度圓筒渦面的軸向誘導速度 筒面上任一點筒面上任一點 A 處的渦元處的渦元 ，在，在槳盤平面上槳盤平面上 點的軸向誘導速度為：點的軸向誘導速度為： 表示表示 A0 與與 M0 之間的間隔，之間的間隔， 表示極表示極坐標軸到坐標軸到A0M0的夾角。的夾角。 A0 是渦元是渦元 在槳盤平面上的投影在槳盤平面上的投影 的所在點。的所在點。0ds0( ,)Mr dsr r0l200300(cos)(cos )4(sin)(si

9、n )kyddvldslldsp pq qf fq qp pf fq qG G= =- - - - -dsr r( , )r qr q把軸向誘導速度表達式加以整理，改寫為：把軸向誘導速度表達式加以整理，改寫為：先沿園筒面母線即先沿園筒面母線即 y y 向積分，此時須采用代換向積分，此時須采用代換再沿再沿積分積分, ,得整個圓筒渦面對得整個圓筒渦面對M0M0點的誘速：點的誘速：00222 3/20cos()8()yl dsk ddvlyf fq qq qp p- -G G= =+ +01()dydsVr r- -= = W W10222 3/20002210() ()cos()8()1cos()

10、()8ydyVkvldlykldVlr rf fq qq qp pr rf fq qq qp p- - W W- -G GD D= =- -+ +G GW W= =- - 2022010cos()()8ylkvVlp pf fq qr rp p- -G GW W= = 代入幾何關系式代入幾何關系式積分得積分得 ： 渦筒外渦筒外 渦筒內(nèi)渦筒內(nèi)211() 11 282ykvVr rp pp pr rG GW W= = - -02220cos()cos()1()2lrrlf fq qy yq qr rr rr r- -= =- - -= =- - -10 r r4yyvkvVr rr rp p =

11、= G G W W = = - - G G W W = = - - = = G G = = G G = = G G W W = = - - G GW W= = 0011104( )|( )44RrRyyrRrdkvdvdV dkkrVVr rp pr rr rp pp p* * * *G GW W= = =+ +W WW W= =G G= = - -G G蝌蝌?qū)憺闊o量綱方式寫為無量綱方式同理，周向誘導速度為同理，周向誘導速度為 或或 結論：槳盤處的軸向及周結論：槳盤處的軸向及周 向誘導速度皆正比向誘導速度皆正比 于當?shù)氐臉~環(huán)量。于當?shù)氐臉~環(huán)量。 )(41)(4*0rrkrdddkvr*1(

12、 ) 4 ykrvVp pG G= = - -2y* v/ ; ( )( )/yvRrrR式式中中= =W WG G= = G GW W*( ) 4krvry yp pG G= = - -第六節(jié)第六節(jié) 槳葉環(huán)量及旋翼拉力公式槳葉環(huán)量及旋翼拉力公式 6-1 6-1 槳葉環(huán)量槳葉環(huán)量根據(jù)儒氏定理，葉素的升力為：根據(jù)儒氏定理，葉素的升力為：由葉素實際，葉素的升力為：由葉素實際，葉素的升力為：由此得槳葉的環(huán)量表達式：由此得槳葉的環(huán)量表達式：引入葉素實際的關系式，槳葉環(huán)量可表示引入葉素實際的關系式，槳葉環(huán)量可表示為：為： 討論：可否用此式計算槳葉討論：可否用此式計算槳葉的環(huán)量？的環(huán)量？*dYWdrr r

13、= =G G22ydYCW bdrr r= =*1122yyC WbC rbG G = = 01*11()()2222yVva ba bC rbarbrrra af fb bf f + +G G = = = =- -= =- -6-2 6-2 旋翼誘導速度旋翼誘導速度設旋翼的入流合速度為飛行相對速度與旋翼等效誘設旋翼的入流合速度為飛行相對速度與旋翼等效誘導速度之合，即導速度之合，即式中旋翼等效誘速式中旋翼等效誘速 其中其中 那么旋翼誘導速那么旋翼誘導速度可寫為：度可寫為： 討論：試比較等效誘導速度與滑流實際計算值的討論：試比較等效誘導速度與滑流實際計算值的異同異同*110()44ydxkkvv

14、VVvp pp pG GG G= = - -= = =+ +04dxdxdxkvVvp pG G= =+ +1110011*00/dxdxvv rdrrdrrdrrdr= =G G= =G G蝌蝌蝌蝌10dxVVv= =+ +引入等效誘導速度后，槳葉環(huán)量可寫為引入等效誘導速度后，槳葉環(huán)量可寫為或或式中式中 假設知槳葉的幾何參數(shù)、槳距和飛行形狀，就能算出假設知槳葉的幾何參數(shù)、槳距和飛行形狀，就能算出環(huán)量沿半徑的分布，并得到誘速分布。環(huán)量沿半徑的分布，并得到誘速分布。0*01()24dxVa bkrrVvrf fp p G GG G = =- - -+ +01/(1)18dxa bkBVvp p

15、= =+ + + +0*()2Va bBrrf f G G = =- - 6-3 6-3 拉力系數(shù)拉力系數(shù) 由葉素實際由葉素實際 代入環(huán)量公式代入環(huán)量公式 那么得那么得 旋翼拉力系數(shù)的環(huán)量表達式旋翼拉力系數(shù)的環(huán)量表達式122T*0C(cossin)yxykkCCW bdrC r bdrb bb bk kp pp p= =- - 蝌蝌*1122yyC WbC rbG G = = 1*02 TkCrdrk kp p= =G G TdxkCk kp p= =G G 6-4 6-4 拉力修正系數(shù)拉力修正系數(shù)在葉素實際中，已得到在葉素實際中，已得到但修正系數(shù)但修正系數(shù) 并未給出，此處由渦流實際導出。并未

16、給出，此處由渦流實際導出。由由 改寫為改寫為而而 代入上式，再與先代入上式，再與先前前 式子對比，式子對比， 可得：可得：112*0077730.7()3yTybCKrdrr drb CG G= = = =G G蝌蝌112*777007772()yTyybCkkCb Cr drrdrb Ck kk kp pp pG G= = =G GG G蝌蝌713TTyCKCks=TK12T0CykC r bdrk kp p= = 7777110.70.722yYkkC bCk kk kk ks sp pp pG G = = =TC 第七節(jié)第七節(jié) 旋翼功率系數(shù)旋翼功率系數(shù)葉素實際已得出葉素實際已得出 即即

17、*2k*11132201000(cossin) m(cossin)xyxyyPkdXdYrkCCW brdrkkkC r bdrVC br drv C br drb bb bb bb bp pk kk kp pp pp p= =+ +W W= =+ + + + + 蝌蝌kkxkykimmmm= =+ + +型阻功率：型阻功率：有效功率：有效功率：誘導功率：誘導功率： 7711330077()/4()()/kxxpxpxkbmC KCbKr drr drbCp p= = =蝌蝌0kyTmC V= =1*0012*0024 ()() 24 ()kidxdxdxdxTdxkkmrdrVvkkrdrVvC v Jk kp pp pk kp pp pG G= =G G+ +G GG G= =+ +G G= = 12*0() 2dxJrdrG G= =G G 討論：討論：1 1，回想第二章中的儒可夫斯基旋翼，它，回想第二章中的儒可夫斯基旋翼，它的的J J 等于多少？等于多少？ 渦系是怎樣的構造？渦系是怎樣的構造？2 2，矩形的、槳葉剖面，矩形的、槳葉剖面 為常數(shù)為常數(shù)的旋翼，其修的旋翼，其修 正系數(shù)正系數(shù) 是多大？是多大？ 槳葉應具備怎樣的改動角才干實現(xiàn)槳葉應具備怎樣的改動角才干實現(xiàn)這樣的氣動特性？這樣的氣動特性？yCx x 、C CPTJK