无轴涵道旋翼气动特性数值研究

无轴涵道旋翼(Shaftless ducted rotor,SDR)是一种采用涵道-旋翼-电机一体化设计的新型涵道旋翼系统,其与传统涵道旋翼(Ducted rotor,DR)气动特性有较大差异。基于非结构网格的滑移网格技术,首先分析了SDR与DR气动特性差异,然后分别考察了桨盘高度、桨叶片数、涵道扩散角、中心孔径及涵道唇口半径5个关键参数对SDR气动特性的影响。研究发现:相同尺寸SDR比DR在悬停状态能够产生更大的总拉力,但其涵道拉力占比减小。前飞状态下SDR涵道后方产生较大的低速区,前行桨叶上方涡环有向内扩散趋势。桨盘高度对SDR与DR的影响机理相似。增加桨叶片数能够有效提高SDR的总拉力值,也能提高涵道拉力占比。增大涵道扩散角将导致SDR旋翼拉力系数下降。减小中心孔径能提高总拉力,但各部分拉力系数在下降。适当增加涵道唇口半径能够提高总拉力大小,超过一定值后总拉力开始下降。

无轴涵道旋翼气动特性数值研究

采用基于非结构网格的滑移网格技术对无轴涵道旋翼与传统涵道旋翼的气动特性进行了非定常Euler方程数值模拟。分别考察了无轴涵道旋翼与传统涵道旋翼气动特性差异,中心孔径、涵道扩散角、涵道翼型对无轴涵道旋翼气动特性的影响。涵道扩散角变化范围为-6°~10°,涵道翼型选择NACA66、NACA0018及NACA4415三种翼型进行研究。研究发现:涵道翼型类型对无轴涵道旋翼的拉力分配影响较大,对称翼型能减弱旋翼上方低压涡从而涵道能产生更大的拉力;无轴涵道旋翼比传统涵道旋翼具有更优的拉力性能,转速为18 000r/min时其总拉力是后者的1.185倍;减小无轴涵道旋翼的中心孔径能提高总拉力值,但整体耗能也将随之提高;涵道拉力占比越高的翼型,其最佳涵道扩散角越大,该状态下涵道拉力占比最高。

涵道共轴双旋翼空气动力学特性分析

利用数值模拟对涵道共轴双旋翼的空气动力学特性进行研究。探讨在涵道的影响下,双旋翼距离的变化对上下旋翼拉力和扭矩的影响。通过与共轴双旋翼的对比确定涵道共轴双旋翼产生拉力的机理并分析涵道本体对共轴双旋翼气动特性的影响。数值结果表明:随着旋翼间距的增大,开始时上旋翼拉力大于下旋翼拉力,后来发生逆转。最后计算了上旋翼拉力占总拉力比值的变化关系。

涵道共轴双旋翼前飞气动特性与试验优选设计

采用Fluent软件对涵道共轴双旋翼的前飞气动特性进行数值模拟研究,分别得出涵道双旋翼的升力、阻力和俯仰力矩随涵道前倾角、上下旋翼相对间距和来流速度的变化曲线.针对影响涵道共轴双旋翼升力的3个主要因素及其常用取值范围,采用正交试验法,以涵道前倾角α、上下旋翼间距H和来流速度v为试验因素,总升力FL为试验指标,设计25组试验,利用极差分析法对试验结果进行计算.结果表明:上述因素在取值范围内的变化对涵道共轴双旋翼总升力的影响程度的主次顺序为:上下旋翼间距,涵道前倾角,来流速度.最后,根据试验结果选定最优方案.

涵道风扇六旋翼无人机的控制策略设计

为解决传统旋翼飞行器动力系统存在的航程短,载重小等局限,本文以一种新概念气驱动涵道六旋翼无人机为研究对象,通过采用控制发动机输出和气驱动回路实现对涵道风扇的升力控制,从而实现对涵道旋翼无人机的姿态控制。首先,分析了涵道六旋翼无人机动力学特性与运动特性,针对其特点设计了基于涵道风扇升力控制的姿态控制策略,并通过涵道实验与流体力学仿真确定了控制关系式;为验证姿态控制策略的可靠,本文选用PID控制算法为姿态控制律,搭建仿真平台进行验证,仿真结果表明,所设计的控制策略可以有效的实现姿态角的跟踪,实现对涵道风扇六旋翼飞行器的控制。