直升機空氣動力學-渦流理論.ppt
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,,直升機空氣動力學,第三章垂直飛行時的渦流理論1、渦流基本概念2、旋翼渦系3、旋翼的誘導(dǎo)速度4、旋翼拉力和功率的修正系數(shù),第一節(jié)基本概念1-1升力面的尾渦升力面的上、下氣流有壓差,在端部形成繞流(漩渦)。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)量改變時,有與升力面平行的渦逸出,稱為脫體渦。,旋翼槳葉的尾渦呈螺旋線狀照片說明:漩渦中氣壓低,潮濕空氣中的水汽凝結(jié)為云,顯示出渦的軌跡。討論:你所見到的漩渦及其形成的原因,1-2渦的誘導(dǎo)速度漩渦引起周圍流體的速度和壓強變化渦渦的誘導(dǎo)速度用畢奧—沙瓦定理計算速度Y向壓強式中是渦元到計算點M的矢徑,是渦的環(huán)量。,1-3旋翼渦流理論的基本思路旋翼對周圍空氣流速的影響(誘導(dǎo)作用),用一渦系的作用來代替,用來計算旋翼的誘導(dǎo)流場。關(guān)鍵是構(gòu)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(dǎo)速度場與旋翼的盡可能相同。此外,便于計算渦系的誘導(dǎo)速度。如:最簡單的機翼渦系,簡單的旋翼槳尖渦系懸停低速前飛高速前飛,第二節(jié)常用的旋翼渦系模型2-1固定渦系(經(jīng)典渦系)參照誘導(dǎo)流場,設(shè)定渦線或渦面的構(gòu)成和形狀,如:螺旋面渦系,圓環(huán)渦系,偶極子渦系,渦柱渦系等,2-2預(yù)定渦系根據(jù)流態(tài)顯示試驗得到的渦線形狀和位置,設(shè)定渦系結(jié)構(gòu)。,2-3自由渦系依據(jù)自由渦線在流場中不受力條件,讓渦線隨氣流自由延伸。流速分布與渦線形狀同步迭代計算,逐步近似直至收斂。計入了渦系形狀的畸變。討論:三類渦系的優(yōu)缺點和適用性,第三節(jié)旋翼圓筒渦系3-1基本假定除假定空氣是無粘性、不可壓縮的氣體外,還假定: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(只在槳尖有尾渦逸出);不計徑向誘速、周向誘速對渦線延伸方向的影響;軸向誘速對渦線延伸方向的影響,用槳盤處的等效誘導(dǎo)速度來代表;旋翼槳葉的揮舞角度角略去不計;,3-2軸向氣流中的旋翼渦系構(gòu)成1)附著渦盤旋翼有k片槳葉,每片槳葉環(huán)量為Γ,假設(shè)kΓ的總環(huán)量均勻分布在槳盤上,即:在槳盤有無限多的強度無限小的附著渦。槳盤平面上,中心角為的微元中,附著環(huán)量為。,2)槳尖渦的園柱面在葉尖處,每個微元附著渦轉(zhuǎn)換成一條槳尖渦順流逸出,它與槳盤圓周形成角度的螺旋線。全部螺旋線槳尖渦形成圓筒形渦面。3)中央渦束在葉根處,附著渦匯集成環(huán)量為kΓ的中央渦束沿軸進入。討論:中央渦束應(yīng)多長?,第四節(jié)槳盤平面處的軸向誘導(dǎo)速度計算渦的誘導(dǎo)速度用畢奧—沙瓦定理計算在直角坐標系中的三分量為,4-1軸向(y向)誘導(dǎo)速度4-1-1圓筒渦面的軸向誘導(dǎo)速度筒面上任一點A處的渦元,在槳盤平面上點的軸向誘導(dǎo)速度為:表示A0與M0之間的距離,φ表示極坐標軸到A0M0的夾角。A0是渦元在槳盤平面上的投影的所在點。,把軸向誘導(dǎo)速度表達式加以整理,改寫為:先沿園筒面母線即y向積分,此時須采用代換再沿θ積分,得整個圓筒渦面對M0點的誘速:,代入幾何關(guān)系式積分得:(渦筒外)(渦筒內(nèi)),4-1-2中央渦束只激起周向誘導(dǎo)速度,不引起軸向速度分量。4-1-3圓形附著渦盤由于槳盤平面上渦線的“反對稱”關(guān)系,不會在自身平面激起任何誘導(dǎo)速度。結(jié)論:垂直飛行狀態(tài),槳盤平面處的軸向誘導(dǎo)速度僅由園筒渦面產(chǎn)生,在槳尖以外為0,槳尖以內(nèi)為常數(shù):,4-2槳盤平面內(nèi)的徑向和周向誘導(dǎo)速度4-2-1圓筒渦面的誘導(dǎo)速度在直角坐標系內(nèi),誘導(dǎo)速度沿x、z軸方向的分量為轉(zhuǎn)換為周向?和徑向r分量,代入l及ds的投影得:第一步,沿筒面母線(對dy)積分,得:,第二步,沿方位角θ積分,并注意到:式中K、E分別為第一和第二類橢圓積分其中模數(shù),積分后得到圓筒渦面引起的徑向誘導(dǎo)速度由于中心渦束及附著渦盤都不產(chǎn)生徑向誘導(dǎo)速度,此式即整個圓筒渦系在槳盤平面引起的徑向誘導(dǎo)速度。圓筒渦面引起的周向誘速,4-2-2中心渦束的誘導(dǎo)速度中心渦束不引起徑向誘導(dǎo)速度,只產(chǎn)生周向誘速4-2-3整個圓筒渦系的周向誘導(dǎo)速度中心渦束與圓筒渦面兩者的作用相加,即得整個渦系的周向誘速:,小結(jié):園筒渦系在槳盤處的誘導(dǎo)速度軸向徑向周向式中r計算此處的誘速ρ渦柱半徑,練習題畫出圓筒渦系所確定的槳盤平面處的旋翼誘導(dǎo)速度各分量分布圖。注:對于兩種橢圓積分,若無數(shù)據(jù)表可查,可用下列近似式:討論:所得誘速分布與滑流理論的有何異同?,第五節(jié)圓柱渦系及其誘導(dǎo)速度一般情況下,槳葉的環(huán)量沿槳葉展向不是常值,而是沿徑向變化的。依據(jù)環(huán)量(渦強)守恒定理,在槳葉附著渦變化處必然要逸出類似于槳尖渦那樣的尾渦,它們形成無限多的同心圓筒渦面,或說是實心渦柱。一片槳葉的環(huán)量:每個圓筒渦面總環(huán)量:,利用圓筒渦系的誘導(dǎo)速度公式,再沿徑向積分,可求得渦柱的誘導(dǎo)速度。軸向誘導(dǎo)速度:由得,寫為無量綱形式同理,周向誘導(dǎo)速度為或結(jié)論:槳盤處的軸向及周向誘導(dǎo)速度皆正比于當?shù)氐臉~環(huán)量。,第六節(jié)槳葉環(huán)量及旋翼拉力公式6-1槳葉環(huán)量根據(jù)儒氏定理,葉素的升力為:由葉素理論,葉素的升力為:由此得槳葉的環(huán)量表達式:引入葉素理論的關(guān)系式,槳葉環(huán)量可表示為:討論:可否用此式計算槳葉的環(huán)量?,6-2旋翼誘導(dǎo)速度設(shè)旋翼的入流合速度為飛行相對速度與旋翼等效誘導(dǎo)速度之合,即式中旋翼等效誘速其中則旋翼誘導(dǎo)速度可寫為:討論:試比較等效誘導(dǎo)速度與滑流理論計算值的異同,引入等效誘導(dǎo)速度后,槳葉環(huán)量可寫為或式中若已知槳葉的幾何參數(shù)、槳距和飛行狀態(tài),就能算出環(huán)量沿半徑的分布,并得到誘速分布。,6-3拉力系數(shù)由葉素理論代入環(huán)量公式則得旋翼拉力系數(shù)的環(huán)量表達式,6-4拉力修正系數(shù)在葉素理論中,已得到但修正系數(shù)并未給出,此處由渦流理論導(dǎo)出。由改寫為而代入上式,再與先前式子對比,可得:,第七節(jié)旋翼功率系數(shù)葉素理論已得出即,型阻功率:有效功率:誘導(dǎo)功率:,討論:1,回顧第二章中的儒可夫斯基旋翼,它的J等于多少?渦系是怎樣的結(jié)構(gòu)?2,矩形的、槳葉剖面為常數(shù)的旋翼,其修正系數(shù)是多大?槳葉應(yīng)具備怎樣的扭轉(zhuǎn)角才能實現(xiàn)這樣的氣動特性?,小結(jié)構(gòu)建適當?shù)臏u系,使其產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度場與真實旋翼的盡可能相同。依據(jù)旋翼的幾何及運動參數(shù),由儒可夫斯基定理,得出槳葉的速度環(huán)量分布。利用比奧-沙瓦定律,計算渦系的誘導(dǎo)速度場。由槳葉環(huán)量分布,計算旋翼拉力及誘導(dǎo)功率的修正系數(shù)KT,J討論:渦流理論能否計算型阻及其功耗?,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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