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1、,直升机空气动力学基础,第一章 垂直飞行时的滑流理论 1,第一章 垂直飞行时的滑流理论 基本原理 旋翼滑流计算 悬停特性 滑流理论的修正 工程应用,第一章 垂直飞行时的滑流理论 2,直升机具有广泛用途，是因其独特的飞行性能：能垂直升降、空中悬停 良好的低速飞行性能 来自旋翼的空气动力特性。直升机空气动力学课程，从垂直上升及悬停中的旋翼滑流理论入门。该理论比较简单，但含有重要的基本概念和知识。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 3,第一节 基本原理1.1 旋翼怎样产生拉力 旋翼从上方吸入空气，向下排压空气，形成旋翼尾流。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
2、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。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 4,1.2 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-旋翼的作用引起的气流速度变化（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、扭转速度较小,第一章 垂直飞行时的滑流理论 5,第二节 旋翼滑流计算当直升机以速度
3、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，自成平衡。由于旋翼激起诱导速度 2.1 动量定理用于旋翼滑流 单位流量m的动量改变，等于所受的同方向外力 根据质量守恒定律，单位流量,（不计空气重力）,第一章 垂直飞行时的滑流理论 6,2.2 动能定理用于旋翼滑流 滑流动能的增加量，等于旋翼输送给滑流的功率 即 得 将动量定理的 及 代入上式 得 即 旋翼在下游远处的诱导速度，等于桨盘处诱导速度 的2倍.讨论：空气有粘性，动能会耗散。远处诱导速度 达不到 最大值约为，之后即减小，最终耗尽。滑流理论也称做动量理论,第一章 垂直飞行时的滑流理论 7,2.3
4、 诱导速度与拉力系数的关系 旋翼拉力 以 把 T 无量纲化，且令，得 拉力系数 及 物理意义：直升机匀速垂直上升中，T=G=常数。若V0增大，则流量增大，减小。0,第一章 垂直飞行时的滑流理论 8,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，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 旋翼滑流的单位流量,第一章 垂直飞行时的滑流理论 9,3.1 悬停诱导速度 由滑流受力 代入,且已知，得 拉力系数，悬停诱导速度 常用作特性速度，如垂直上升中：,第一章 垂直飞行时的滑流理论 10,3.2 滑流中的速度及静压变化 对于无粘、不可压流体，柏努利方程简化为 在旋翼上方
5、 因，得,第一章 垂直飞行时的滑流理论 11,在旋翼下方 因，得 回顾 即：旋翼上面为吸压，下面为增压，桨盘处增压值为吸压的3倍。若由桨盘上、下的静压差来计算旋翼拉力，则得，与动量分析所得结果相同。,讨论：应用柏努利方程，为何要分别 针对上下两段滑流,第一章 垂直飞行时的滑流理论 12,3.3 悬停功率 理想条件（无粘性）下，旋翼功率仅消耗于产生拉力（引起诱导速度）,将 无量纲化，得功率系数 以 代入，则得 可见，旋翼需用功率与拉力（重量）不成正比，而是比拉力增加得快。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 13,第四节 旋翼滑流理论的修正4.1 叶端损失系数 实际旋翼，并非整个桨盘面积产生拉力：1)
6、桨毂及叶根段（r0以内）无翼型 2)桨盘上下有压差，在叶尖处会有自下而上的绕流，削弱了尖部的作用 有效面积 令叶端损失系数，一般 r0(0.20 0.25)R r1=(0.98 0.99)R 悬停实际诱导速度，比理论值大一些：,第一章 垂直飞行时的滑流理论 14,4.2 悬停效率 旋翼在悬停时消耗的功率，不仅是诱导功率，还有：克服空气粘性引起的翼型阻力的能耗、克服波阻的能耗 旋翼尾流有扭转运动，带走了动能 诱导速度有脉动、沿桨盘不均布，诱导功率比 要大些（上述功率将利用旋翼叶素理论、涡流理论计算）,定义：悬停效率 大多数直升机，在0.7左右。,第一章 垂直飞行时的滑流理论 15,4.3 悬停旋
7、翼尾流扩散 由质量守恒 已知 下游无限远处，滑流收缩为 实际气流有粘性，流动中动能逐渐耗散 1)尾流不会收缩到 R20.707R，实际约达 0.78 R 后开始扩散 2)最大值仅能达到约，之后即减小直至耗尽。,讨论：滑流理论应用的局限性,第一章 垂直飞行时的滑流理论 16,第五节 滑流理论的工程应用 5.1 桨盘载荷 定义 桨盘载荷 kg/m2 旋翼单位扫掠面积所需承担的直升机重量 由悬停拉力公式 及，得,讨论：p不可太大，现多在25至40 之间(诱导功率、机身阻力、下吹风)如 Z9，p=37，六（九）级风,第一章 垂直飞行时的滑流理论 17,5.2 功率载荷 定义 单位马力载荷 kg/HP
8、G直升机设计的起飞重量，kg NM发动机在海平面的额定功率，HP(马力)NM 大部分用于驱动旋翼，约1020%功率消耗于 尾桨、附件、传动损失等 旋翼可用功率 N可用=功率传递系数，A发动机高度特性 当代直升机 q=35 kg/HP 讨论：飞机螺旋桨，约 1 kg/HP,第一章 垂直飞行时的滑流理论 18,5.3 旋翼直径选择 直升机飞行，必须 由 得 由 得 在海平面，一般 1825,讨论：有极限值的物理解释:能量守恒,第一章 垂直飞行时的滑流理论 19,将 p 与 q 的定义式代入，得 直升机重量G一定，则需用功率与旋翼直径成反比 物理解释：D大，则流量 大 在 一定的条件下，小，而诱导功率，小则诱导功率小,讨论：1)怎样用小功率发动机制成大重量直升机 2）发展趋势：p增大，,第一章 垂直飞行时的滑流理论 20,本章小结一、主要结论 诱导速度 拉力系数 诱导功率系数 悬停效率 桨盘载荷与功率载荷的关系：二、应用 1)总体方案设计时，初定 p，D，NM 2)简略分析中，估算 3)其他对流场、气动干扰等的快速分析、定性分析(如尾桨用推力式),第一章 垂直飞行时的滑流理论 21,三、滑流理论的评价优点：把握住了旋翼产生拉力的本质 简单、直观、形象缺点：未揭示旋翼与气流如何相互作用，不能建立旋翼的几何特性与其气动特性的关系；忽略了气流的粘性和可压缩性，因而低估了旋翼的需用功率。,
