直升机旋翼动力学基础
现代直升机旋翼空气动力学
现代直升机旋翼空气动力学•目录：•第1章绪论1.1空气动力学的内容1.1.1定义1.1.2研究问题的类型1.2空气动力学的研究工具1.2.1解析工具1.2.2计算工具1.2.3实验工具1.3直升机概况1.3.1发展简述1.3.2直升机分类1.4直升机空气动力学发展概况1.4.1经典空气动力学理论1.4.2基于CFD技术的旋翼流场模拟1.4.3旋翼计算声学简介1.4.4旋翼/机身等多部件的气动干扰简介1.5旋翼基本参数介绍参考文献第2章旋翼动量理论2.1引言2.2垂直飞行时的动量理论2.2.1垂直上升状态2.2.2悬停状态2.2.3垂直下降状态2.2.4诱导速度普遍规律2.3前飞时的动量理论2.3.1平飞状态2.3.2爬升和下滑状态2.3.3诱导速度普遍规律参考文献第3章旋翼叶素理论3.1引言3.2桨叶翼型3.2.1桨叶翼型几何参数3.2.2桨叶翼型空气动力学特性3.2.3桨叶翼型设计3.3垂直飞行时的叶素理论3.3.1旋翼拉力和功率的微分形式3.3.2旋翼拉力和功率的积分形式3.3.3旋翼拉力的近似解析式3.3.4旋翼功率的近似解析式3.3.5完善系数3.4基于叶素-环量理论的拉力系数3.5基于叶素-动量组合理论的拉力系数3.6前飞时的叶素理论3.6.1旋翼拉力和功率的积分形式3.6.2旋翼拉力和功率的近似解析式3.6.3旋翼功率的一般表达式参考文献第4章旋翼涡流理论4.1引言4.2基本概念4.2.1Kelvin定理4.2.2Helmholtz定律4.2.3Biot-Savart定律4.2.4涡与环量4.3垂直飞行时的涡流理论4.3.1儒氏旋翼涡系模型4.3.2儒氏旋翼诱导速度4.3.3非儒氏旋翼涡系模型4.3.4非儒氏旋翼诱导速度4.4前飞时的涡流理论4.4.1旋翼涡系模型4.4.2旋翼诱导速度4.4.3桨叶附着涡环量的求解参考文献第5章旋翼自由尾流分析技术5.1引言5.2涡动力学基础5.3自由涡系模型5.3.1旋翼桨叶涡系模型5.3.2旋翼尾迹模型5.3.3旋翼桨尖涡模型5.3.4涡核扩散模型5.4桨叶附着涡环量求解5.5远尾迹涡丝控制方程5.6远尾迹涡丝控制方程的求解5.6.1远尾迹周期边界条件5.6.2PIPC松弛迭代法求解过程5.7自由尾迹/面元法的耦合模型算例5.7.1求解方法5.7.2涡/面干扰5.7.3算例分析参考文献第6章旋翼CFD理论基础知识6.1引言6.2适合旋翼的流体力学控制方程组6.2.1连续性方程6.2.2动量方程6.2.3能量方程6.2.4控制方程的选择形式6.3控制方程的离散化6.3.1有限差分法（FDM）6.3.2有限体积法（FVM）6.4网格生成简介6.4.1椭圆网格生成实例6.4.2多区重叠网格（嵌套网格）简介6.5结论参考文献第7章旋翼N-S方程SIMPLE数值模拟方法7.1引言7.2SIMPLE算法7.2.1交错网格技术7.2.2SIMPLE算法基本假设7.2.3SIMPLE算法基本步骤7.2.4SIMPLE算法的简单算例7.3SIMPLER算法简介7.4代数方程组的求解7.5前飞旋翼湍流场的数值模拟算例7.5.1流场控制方程7.5.2动量源项7.5.3算例方案描述7.5.4前飞流场分析7.5.5前飞性能预测7.6垂直下降旋翼湍流场的数值模拟算例7.6.1桨盘压差源项计算7.6.2垂直下降算例方案描述7.6.3模型旋翼悬停算例验证7.6.4垂直下降算例流场分析7.6.5垂直下降性能预测7.7斜下降旋翼湍流场的数值模拟算例7.7.1计算模型及方法7.7.2旋翼升阻气动特性7.7.3单片桨叶压力场随周期的变化7.7.4孤立旋翼流场分析7.7.5旋翼/机身组合流场分析参考文献第8章旋翼TVD数值模拟方法8.1引言8.2TVD格式的概念和性质8.2.1TVD的概念8.2.2TVD的性质8.3TVD格式的构造8.3.1一阶TVD格式8.3.2二阶TVD格式8.3.3高阶TVD格式简介8.4对一维和多维方程组的推广8.4.1一维方程组的推广8.4.2多维方程组的推广8.5算例：旋翼流场Euler方程Jameson/TVD数值模拟8.5.1主控方程8.5.2数值方法8.5.3结果分析参考文献第9章旋翼绕流N-S方程数值计算方法9.1引言9.2Jameson格式9.2.1标量人工粘性的中心差分方法9.2.2各向异性的人工粘性9.2.3矩阵人工粘性模型9.3TVD格式9.3.1TVD的概念9.3.2单调格式、保单调格式和TVD性质的充分条件9.3.3显式一阶TVD格式举例9.4一种Jameson/TVD混合格式9.4.1N-S方程和通量修正法9.4.2旋翼流场N-S方程Jameson/TVD数值模拟方法9.5Jameson格式与其他格式9.5.1积分形式下的旋翼流动控制方程9.5.2空间离散格式9.5.3悬停旋翼流动的数值模拟9.5.4前飞旋翼流动的数值模拟参考文献第10章旋翼洗流和旋翼/机身/发动机耦合流场分析10.1引言10.2旋翼洗流分析10.3旋翼/机身干扰流场10.3.1"作用盘"假设10.3.2N-S方程直接模拟10.4旋翼/机身/发动机耦合流场10.5旋翼/机身/柱体耦合流场10.5.1旋翼/机身耦合流场10.5.2机身/柱体耦合流场参考文献第11章旋翼计算声学基础11.1引言11.2Ffowcs Williams-Hawkings方程和Kirchhoff理论11.2.1Ffowcs Williams-Hawkings方程11.2.2Kirchhoff理论11.3两种方法的比较11.4桨涡干扰噪声的模拟11.5计算流体力学方法参考文献习题与思考题附录彩图页。
直升机动力学基础(旋翼动力学基础-2011-11)
R 0
mX
2 i
d
r
Ω2
R 0
mX
2 i
d
r
0
可以看出，在同样的条件下
2i 要比同阶
2 i
小，但由于
EJ EJ ，所以同阶频率摆振频率比挥舞频率大。
因此，离心力对摆振固有频率影响减小。
南京航空航天大学直升机技术研究所
★基阶振型
刚体摆振 20
或
lcj
M cj Ω2 I cj
y(0) 0 y'(0) 0 y"(R) 0
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3）特点： 铰接式： （1y）0 (r0)阶振r 型—是—一刚条体直挥线舞 （2）振型随转速是变化的
铰接式旋翼模态弯矩
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无铰式：
其一阶振型对应铰接式零阶、二阶振型对应铰接式一阶， 区别在桨叶根部：铰接式根部铰支，而无铰式及无轴承式根 部固支，模态弯矩根部最大。
（1）在桨尖加质量，对离心力刚度产生较大影响， 而桨根影响小；
（2）对广义质量，在振型的波腹处加质量影响大， 而在节点处加质量则没有影响。
把这两者综合起来看：
（1）靠近桨尖的振型节点处加质量，频率有较大 提高；
（2）靠近桨根的振型波腹处加质量，频率有较大 降低。
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挥舞固有频率的改变与集中质量展向位置的关系
超过5%，所以，铰接式旋翼 0 1.0 ~ 1.04 ,
一般不会超过1.04。
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桨叶的挥舞固有频率可以认为是由两 部分组成的：
2 i
R 0
微型直升机旋翼的气动力计算
微型直升机旋翼的气动力计算
微型直升机是一种小型无人机，它需要能够准确计算旋翼气动力才能保证飞行稳定性和机动性。
旋翼气动力计算是微型直升机设计中十分关键的一项技术。
首先，进行微型直升机旋翼的气动力计算需要了解旋翼的基本结构和工作原理。
旋翼是微型直升机的主要升力来源，它由多个叶片组成，通过快速旋转产生提升力。
在旋翼运动过程中，空气会受到压力和阻力等力的作用，这些力会影响旋翼的运动轨迹和角速度。
接下来，需要建立旋翼气动力模型。
旋翼气动力模型可以分为绕流理论模型和计算流体力学模型两种。
绕流理论模型是基于物理现象的理论分析，可以非常准确地预测旋翼的气动力。
而计算流体力学模型是通过建立数值模型来模拟空气流动过程的，相对较为简单但精度相对较低。
然后，需要选择适当的数值方法进行模拟计算。
目前常用的数值方法有有限元法、有限体积法和边界元法等，不同方法的精度和计算速度也不同。
一般来说，需要根据旋翼气动力模型的性质来选择合适的数值方法。
最后，进行旋翼气动力计算，得到旋翼在不同条件下的气动力数据。
这些数据可以用于微型直升机的设计和仿真，以验证设计方案的可行性和性能。
总之，微型直升机旋翼的气动力计算是一项十分重要的技术，它能够为微型直升机的设计和运行提供重要的理论依据和数据支持。
随着科技的不断发展，相信旋翼气动力计算技术也会不断得到进步和完善。
直升机空气动力学基础
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。 为知道旋翼拉力，可计算气流所受的力， 二者大小相等。
如 Z9，p = 37， u10 = 12m / s ，六（九）级风
第一章 垂直飞行时的滑流理论 17
5.2 功率载荷
G
定义 单位马力载荷
q= NM
G－直升机设计的起飞重量，kg
kg/HP
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10～20%功率消耗于 尾桨、附件、传动损失等
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
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
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
直升机旋翼动力学基础-精选文档
★后退型——各片桨叶的相位顺 旋翼转向依次递增2π/k。
y1 A s in t
y 2 A s in t 2 y 3 A s in t
3 y 4 A s in t 2
可以看出，挥舞运动使桨盘平面的倾
m为整数
于是：
R S S cos n T sin n 2 i 0 n i n i
n 1 n 1
Y R2i kS 0 Sn cosn i Tn sinn i
i0 n 1 i0 n 1 i0
k 1
k 1
k 1
=kS 0 kSmk cosmk k Tmk sinmk
旋翼无反作用型
不同的整体振型与机体耦合关系不同：
无反作用型： 与机体没有耦合关系 集合型： 挥舞运动与桨毂中心有垂直运动的机体运 动相耦合；
摆振运动与桨毂中心的扭转运动耦合；
前进型和后退型（周期型）： 挥舞运动与桨毂中心有纵、横向角位移 的机体运动耦合； 摆振运动与桨毂中心有纵、横向水平位 移的机体运动耦合；
三、旋翼整体振型
以上讨论的是单片桨叶的固有特性，但一 副旋翼是由多片桨叶构成的，在研究旋翼动力 学问题时，就必须考虑如何描述整个旋翼的运 动。这时可以用整体振型的概念，特别对旋翼 与机体耦合动力学的研究。 整体振型是指多片桨叶同频率同幅值运动 时，由于相位不同而形成的运动形态。
集合型——各片桨叶同频、同幅而且相位相同的 运动。 旋翼集合型，4片桨叶的振动完全相同，也就是4片 桨叶的振动是同相的，或者说它们振动的相位差为 0或 2π的整数倍。对挥舞振动称“伞形振动”。
设旋翼有k片桨叶构成，第i片桨叶的方位角为：
直升飞机原理
直升飞机原理
直升飞机是一种垂直起降的飞行器，它通过旋翼产生的升力来实现飞行。
直升
飞机的原理主要包括旋翼的工作原理、动力系统和控制系统。
首先，我们来看一下旋翼的工作原理。
旋翼是直升飞机的升力产生装置，它由
多个叶片组成，每个叶片的截面呈对称翼型。
当直升飞机的发动机提供动力，旋翼开始旋转，产生升力。
旋翼的叶片在旋转的过程中，通过改变叶片的角度和旋转速度，可以控制飞机的升力和方向，从而实现飞行。
其次，动力系统是直升飞机的动力来源，通常由发动机、传动系统和旋翼组成。
发动机提供动力，传动系统将动力传递给旋翼，旋翼通过旋转产生升力。
直升飞机的动力系统需要具备足够的功率和稳定性，以确保飞机的安全起降和飞行。
最后，控制系统是直升飞机的核心，它包括飞行控制系统、动力控制系统和姿
态控制系统。
飞行控制系统通过操纵杆和脚踏板控制飞机的升降、前后倾斜和左右转向；动力控制系统控制发动机的输出功率和旋翼的旋转速度；姿态控制系统通过调节旋翼的叶片角度和旋转速度，来保持飞机的平衡和稳定。
总结一下，直升飞机的原理是基于旋翼产生的升力来实现垂直起降和飞行。
它
的动力系统和控制系统相互配合，确保飞机的安全和稳定。
直升飞机在军事、医疗救援、消防救援和交通运输等领域有着广泛的应用，它的原理和技术不断得到改进和完善，将为人类的飞行梦想带来更多可能性。
直升机应用的物理原理
直升机应用的物理原理1. 引言直升机是一种重要的航空工具，在军事、民用及特殊领域都有广泛的应用。
直升机的飞行原理相较于固定翼飞机有所不同，本文将介绍直升机应用的物理原理。
2. 主旋翼原理直升机的主要飞行原理是通过主旋翼的旋转产生升力，从而使直升机保持在空中。
主旋翼通过改变叶片的角度和旋转速度来控制升力和推力。
2.1 主旋翼的升力产生原理主旋翼的叶片通过空气动力学原理产生升力。
当主旋翼旋转时，叶片的攻角会产生升力，类似于固定翼飞机的机翼。
2.2 叶片角度的调整通过改变主旋翼叶片的角度，直升机可以调整升力和推力。
增大叶片的攻角可以增加升力和推力，而减小叶片的攻角则会减小升力和推力。
2.3 旋转速度的调整直升机通过调整主旋翼的旋转速度来控制升力和推力。
增加旋转速度可以增加升力和推力，而减小旋转速度则会减小升力和推力。
3. 尾桨的作用直升机的尾部配备了一个尾桨，它的主要作用是平衡由主旋翼旋转产生的扭矩。
3.1 扭矩的产生由于主旋翼旋转，会产生一定的扭矩，使得直升机倾向于绕垂直轴旋转。
为了平衡这个扭矩，直升机通过尾桨产生一个反向的扭矩。
3.2 尾桨的旋转方向为了产生反向的扭矩，尾桨和主旋翼旋转方向相反。
尾桨通常位于直升机尾部，通过改变尾桨的旋转速度和角度来控制反向扭矩的大小。
4. 控制系统直升机的飞行需要一个精确的控制系统来调整主旋翼和尾桨的角度和旋转速度。
4.1 主旋翼的控制直升机通过改变主旋翼叶片的角度和旋转速度来控制升力和推力。
主旋翼的控制通常由飞行员通过操纵杆或控制器进行。
4.2 尾桨的控制尾桨的控制用于平衡主旋翼产生的扭矩。
可以通过改变尾桨的旋转速度和角度来控制扭矩的平衡。
5. 结论直升机应用的物理原理涉及主旋翼的升力产生、叶片角度调整、旋转速度调整，以及尾桨的作用和控制系统。
这些原理的理解和正确应用是直升机飞行的关键。
通过不断的研究和技术进步，直升机在各个领域的应用将会得到进一步的发展和扩展。
直升机气动力手册(3篇)
第1篇第一章：直升机概述1.1 直升机的定义与分类直升机是一种垂直起降的航空器，它通过旋翼的旋转产生升力。
根据旋翼的数量，直升机可分为单旋翼直升机和多旋翼直升机。
单旋翼直升机通过尾桨来平衡旋翼的扭矩，而多旋翼直升机则通过多个旋翼来平衡扭矩。
1.2 直升机的发展历程直升机的发展可以追溯到20世纪初，当时的航空先驱们尝试通过旋转的叶片来产生升力。
经过多年的研究和实验，直升机逐渐从理论走向实践，并在第二次世界大战期间开始用于军事领域。
随着技术的进步，直升机在民用领域也得到了广泛的应用。
第二章：直升机气动原理2.1 旋翼的气动特性旋翼是直升机产生升力的主要部件，其气动特性如下：（1）旋翼叶片的形状和数量：旋翼叶片的形状和数量对直升机的气动性能有很大影响。
叶片形状决定了升力和推力的产生，叶片数量则影响了直升机的稳定性和机动性。
（2）旋翼叶片的转速：旋翼叶片的转速越高，产生的升力和推力越大。
但过高的转速会导致叶片振动和噪声增大。
（3）旋翼叶片的攻角：旋翼叶片的攻角是指叶片与气流方向的夹角。
攻角越大，产生的升力越大，但过大的攻角会导致叶片失速。
2.2 旋翼的空气动力学分析旋翼的空气动力学分析主要包括以下几个方面：（1）旋翼叶片的升力系数：升力系数是旋翼叶片产生升力的能力，它与叶片形状、攻角和转速等因素有关。
（2）旋翼叶片的阻力系数：阻力系数是旋翼叶片在飞行过程中受到的空气阻力与升力的比值。
阻力系数越小，直升机的燃油效率越高。
（3）旋翼叶片的扭矩：扭矩是旋翼叶片旋转时产生的力矩，它与升力和转速有关。
第三章：直升机气动设计3.1 旋翼设计旋翼设计是直升机气动设计的关键环节，主要包括以下几个方面：（1）叶片形状：叶片形状决定了旋翼的气动性能，如升力系数、阻力系数和扭矩等。
（2）叶片数量：叶片数量影响了直升机的稳定性和机动性。
（3）叶片材料：叶片材料对旋翼的强度、重量和耐久性有很大影响。
3.2 尾翼设计尾翼设计主要包括尾桨和尾梁，其作用是平衡旋翼的扭矩，提高直升机的稳定性和操纵性。