论文摘要：旋翼空气动力学在直升机空气动力学中占有十分重要的地位，因其问题复杂，涉及的学科较多，一直吸引众多研究者的注意。对旋翼滑流理论、叶素理论、涡流理论和CFD方法进行了综合评述，并在此基础上展望了旋翼流场计算技术发展的前景。
论文关键词：直升机,旋翼,空气动力学
1前言
直升机具有独特的飞行性能——依靠旋翼在空中悬停、在狭小空间内垂直起降，使其成为重要的空中运输和作战平台。旋翼既是直升机起升力作用的气动机翼部件，又是起主要操纵控制作用的气动舵面部件，这是与其它机种主要区别之所在。而且直升机旋翼本身还具有自由度多、与其它部件气动干扰等特点，对旋翼空气动力学研究必然成为整个直升机飞行动力学研究的重中之重。
旋翼空气动力学，即研究旋翼与周围空气相互作用的空气动力现象及机理，包括对旋翼及其流场的深入了解以准确地计算旋翼空气动力特性，以及对旋翼几何外形的设计以更好地发挥其气动效能。
2旋翼气动理论的发展
直升机旋翼气动载荷是直升机空气动力学计算的出发点，低频的桨叶气动载荷确定直升机的性能，中频气动载荷引起直升机振动，高频气动载荷确定直升机的外部和内部噪声水平，因而旋翼气动载荷计算是直升机空气动力学的重点研究课题之一。根据研究方法的不同，旋翼气动理论分为滑流理论、叶素理论和涡流理论三种旋翼理论。这三种理论各有优点又相互补充，构成了对旋翼运动认识的完整图像。
2.1旋翼的滑流理论
所谓滑流，是把旋翼简单地看作一个无限薄的作用桨盘，把受旋翼作用的气流当作一根流管单独处理，进而研究桨盘对气流的作用。其前提是空气是没有粘性的、不可压缩的理想气体；旋转着的旋翼是一个均匀作用于空气的无限薄的圆盘(桨盘)，流过桨盘的气流速度在桨盘各点处为一常数；滑流没有扭转(不计旋翼的旋转影响)，在定常飞行中，滑流没有周期性的变化。
旋翼滑流理论的起源可追朔到十九世纪的船用螺旋桨的研究。20世纪初，Betz将动量理论扩展应用于飞机的螺旋桨上。随后Glauert进一步将滑流理论用于前飞中的旋翼，成为研究旋翼空气动力学的开端。
滑流理论是一种计算简单的宏观上分析，它的特点是计算模型简单，可用于从理论上解释旋翼的工作情况。主要用于旋翼诱导气流及旋翼性能的初步估算，在直升机性能计算、总体参数选择等分析中使用。滑流理论的缺点是采用了诱速均匀的假设，且不能涉及旋翼桨叶的几何特性，计算模型粗糙，可用于旋翼诱导气流的初步估算。因此涉及桨叶几何特性的旋翼气动分析需考虑到桨叶叶素的气动特性。
2.2桨叶叶素理论
桨叶叶素理论最早由Drzewiwcki在19世纪末开始发展而来，是机翼升力线理论在旋翼桨叶中的应用。它把桨叶看成由无限多的桨叶微段（叶素）构成。假设每个桨叶剖面作为一个二维翼型来产生气动作用，通过诱导速度计入尾流（三维效应）的影响，因此在各桨叶微段上，可应用二维翼型特性确定桨叶剖面的气动力和力矩，沿桨叶径向积分可得一片桨叶进而整个旋翼的气动力和力矩。
另外，旋翼的气动性能取决于剖面的入流特性和升阻特性，而升阻特性与当地剖面迎角从而与当地诱导速度密切相关，因此，使用叶素理论确定旋翼气动特性，当地诱速的计算是一个关键。可采用动量理论、涡流理论等计算诱导速度，后者能给出较准确的诱速分布。
桨叶叶素理论为旋翼空气动力学奠定了基础，它涉及桨叶的细节流动和载荷，使旋翼性能与设计参数相联系，可直接用于旋翼的设计中。但由于升力线是建立在机翼或桨叶高展弦比的假设之上，在桨叶载荷和诱导速度梯度过大的区域，例如桨尖附近和涡-桨干扰的附近，升力线假设并不满足，因而叶素理论在这些区域不是严格正确的。
2.3旋翼涡流理论
从理论空气动力学的观点来看，旋翼对周围空气的作用，就相当于某一涡系在起作用。类似于机翼，旋翼的每片桨叶可用一条附着涡及很多由桨叶后缘逸出的、顺流而延伸到无限远的自由涡来代替。而涡流理论是把机翼的升力由环绕机翼的环量产生的理论应用到螺旋桨上，即假定有一附着涡系贯穿于桨叶，一组近似于螺旋形的尾涡系由叶尖、叶根和桨叶后缘向下游无限延伸，逐步形成螺旋桨的滑流。
旋翼涡流理论是应用流体动力学的基本定理（Biot-Savart定理、Kelvin定理、Helmhotz定理）来计算旋翼流场中任一点处的诱导速度。这种方法计算旋翼流场的关键是旋翼尾迹分析，一般地，旋翼的尾迹模型可归纳为固定尾迹、预定尾迹和自由尾迹三类。
2.3.1经典涡流理论――固定尾迹
涡流理论的基础是Joukowski在本世纪二十年代前后建立的，但进入五十年代，涡流理论才受到重视。Castles等人在文献[5]中使用常环量涡流理论计算了前飞旋翼纵横向平面的诱速分布。1961年我国学者王适存考虑纵横向涡线一般情况，推导了广义涡流理论，为经典涡流理论作出了重要贡献。
经典涡流理论包括桨盘涡系模型和桨叶涡系模型。前者旋翼被假设为具有无限片桨叶的桨盘，尾迹涡线连续地规整地布置在圆柱涡面上；后者则由有限片桨叶后拖出的螺旋涡线组成，按来流速度和等效诱导入流确定其延伸方向的刚性尾迹。固定尾迹计算可表达为解析式，便于理解，且发展成熟，六、七十年代在旋翼气动分析中曾得到相当广泛的应用。 1/3 1 2 3 下一页 尾页 |
