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直升机空气动力学基础
--第一章垂直飞行时的滑流理论
直升机空气动力学基础
第一章垂直飞行的滑流理论
旋翼动力学国防科技重点实验室唐正飞
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一些悬停试验
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视屏
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第一节基本原理
旋翼怎样产生拉力
旋翼向下排压空气,形成旋翼尾流,
同时从上方吸入空气。
气流受到旋翼作用力,被加速、增压;
同时对旋翼施加反作用力,即是旋翼拉力。
为知道旋翼拉力,可计算气流所受的力,
二者大小相等。
讨论:旋翼拉力不称做升力,概念不同:
翼面升力垂直于来流速度
旋翼拉力沿转轴方向,是各桨叶的合力
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滑流假定
为做数学推演,须对物理现象
做适当的简化假定:
滑流:空气无粘性、不可压缩
作用盘:旋翼是作用盘,产生稳定均布的诱导速度
流管:受旋翼作用的气流形成一流管,气流无扭转
诱导速度---旋翼的作用引起的速度变化(方向、大小)
讨论:各项假定的适宜性:
低速、常温、常规尺寸;(粘、波阻力)
多叶旋转、负扭及尖削;(修正系数)
流动有界面、扭速较小
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第二节旋翼滑流计算
当直升机以速度 V0 垂直上升,相对气流向下吹来。
截取上游、下游各很远处两截面之间的一长段流管,
周围大气压强皆为 P0 ,自成平衡。
由于旋翼激起诱导速度,VV1 0 1 ,VV2 0 2
由动量定理,单位流量的动量改变等于
所受的同方向外力
(不计空气重力) m() V20 V F
根据质量守恒定律,单位流量
m V1 S 1  V 0 S 0  V 2 S 2
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由动能定理,滑流动能的改变,等于旋翼输送给滑
11
流的功率 mV22 mV FV
222 0 1
1
m( V22 V )  F ( V )
即 2 2 0 0 1
将动量定理的 F m() V20 V 及 VV2 0 2 代入上式
得
21 2
即旋翼在下游远处的诱导速度2 ,等于桨盘处
诱导速度1 的2倍.
讨论:空气有粘性,动能会耗散。远处诱导速度达不到 21
最大值约为 1 ,之后即减小,最终耗尽。
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诱导速度与拉力系数的关系
2
旋翼拉力 T F  m( V2  V 0 ) ( V 0  1 )  R  2  1
1
 RR22()
以 2 把 T 无量纲化,且
令 V , 
V  1
0 R 1 R
得拉力系数
CVT 4(0  1 )  1
1
或[] V  V2  C
12 0 0 T
直升机匀速垂直上升中,T = G = 常数,
若V0增大,则流量增大,1 减小。
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第三节悬停特性
悬停是直升机最重要的飞行状态之一。
旋翼在原地运转, V0  0
空气被旋翼吸入,桨盘处的入流速度就是
旋翼的诱导速度,即 V1 10
旋翼滑流的单位流量
2
mR10 
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悬停诱导速度10
由滑流受力 F m() V20 V
代入, 2
VV2 0 2 mR10 
且已知,
2 2 10 TF
得 22
TR 210
1
拉力系数 C  4 2 ,悬停诱导速度 C
T 10 10 2 T
10 常用作特性速度,如垂直上升中:
 1 VV
1 [ 00 ( )2  4]
102  10  10
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