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Hex-rotor无人机多旋翼流场数值模拟与试验研究

作　者: 雷瑶
导　师: 续志军; 白越
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: Hex-rotor 无人机非平面双旋翼单元低雷诺数气动干扰风洞
分类号: V279
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着新一代小型飞行器向着布局更加紧凑的方向发展，对提高旋翼载荷提出了更大需求，本文针对Hex-rotor无人机特殊的旋翼配置形式通过两种非平面双旋翼单元的提出，分析了新型Hex-rotor无人机在动力学方面的新特性。另外，从空气动力学角度出发，定性地分析了多旋翼系统设计过程中有粘低雷诺数环境以及旋翼间的气动干扰对旋翼系统控制模型的影响，并按照旋翼气动布局设计要求，结合双旋翼单元气动特性的理论分析和试验研究相关结果与结论，完成了Hex-rotor无人机旋翼系统气动参数的优化并形成了最终的气动布局的方案设计。论文主要研究内容如下：(1)通过初步的动力学特性分析确定了非平面旋翼配置的Hex-rotor无人机不仅可以实现位置和姿态的独立控制而且还具有推进效率方面的优势。定性地指出了有粘低雷诺数环境下存在气动干扰的面对面和背对背非平面双旋翼单元以及扩展研究的共轴双旋翼单元周围流场的分布特点，明确了相邻两个旋翼在包括旋翼间距、倾转角度等不同气动参数所表现出的特殊气动性能对动力学建模精度在控制方面的影响。(2)采用动量法和叶素法相结合的方式，计入低雷诺数下空气粘度的影响对理论计算方法进行了修正。结合流场N-S主控方程、S-A湍流模型和悬停的远场边界条件发展了一套用于双旋翼气动干扰特性分析的三维数值计算方法。采用所建立的方法计算了悬停状态下单旋翼周围流场的压力分布和流线分布，并通过单旋翼试验测量得出了旋翼的基本气动特性，同时验证了数值模拟方法的有效性。(3)研制了相应的小型旋翼气动性能测试试验台，测量了悬停状态下三种双旋翼单元在包括转速、旋翼状态、旋翼间距和倾转角度等不同气动参数下的拉力和功耗，并通过数值模拟的流线和压强分布初步确定了双旋翼之间存在相交干扰的流场重叠区域对旋翼系统性能的影响，对比试验结果较系统地研究了双旋翼单元不同气动布局时的气动性能变化规律，对非平面旋翼式无人机的旋翼布局设计有指导作用。(4)在研究基础上，依据多旋翼系统无人机研制的总体要求，结合双旋翼气动性能测试试验台和低速风洞对比无来流状态就自然环境中典型的二级风和三级风开展了非平面双旋翼单元来流抗风扰性能试验研究，得出了改善多旋翼系统气动性能的方法，对这类飞行器独特的结构配置下的旋翼系统抗风扰能力有了初步认识。由于非平面多旋翼系统气动布局设计与整体气动性能的耦合关系十分复杂，涉及到空气动力学、飞行控制等多个方面，其研究工作在国内才刚刚开始，论文工作仅对多旋翼系统涉及的有粘低雷诺数下旋翼气动特性和翼间干扰等几个空气动力学方面的问题进行了初步探讨和研究，文中对旋翼气动性能分析采用的数值模拟和试验方法为改进Hex-rotor无人机样机旋翼系统气动布局以及相似样机的研制提供了理论基础和技术支撑。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
第1章绪论  14-36
  1.1 课题研究背景  14-22
    1.1.1 多旋翼系统常见气动布局  15-19
    1.1.2 多旋翼流场研究的关键技术  19-20
    1.1.3 主要研究方法  20-22
  1.2 研究现状及挑战  22-32
    1.2.1 低雷诺数空气动力学特征研究  23-27
    1.2.2 双旋翼气动干扰研究  27-32
  1.3 研究目标和内容  32-36
    1.3.1 研究目标  32
    1.3.2 研究内容  32-36
第2章低雷诺数下的多旋翼系统  36-54
  2.1 前言  36
  2.2 考虑空气粘度的旋翼气动理论计算  36-42
    2.2.1 常用的旋翼空气动力理论计算方法  36-37
    2.2.2 旋翼空气动力学模型  37-42
  2.3 考虑翼间干扰的 Hex-rotor 无人机多旋翼系统  42-47
    2.3.1 Hex-rotor 无人机机体结构  42-44
    2.3.2 非平面双旋翼单元的提出  44
    2.3.3 气动干扰理论分析  44-47
  2.4 传统多旋翼系统动力学建模  47-51
    2.4.1 Hex-rotor 无人机旋翼系统的力和力矩  47-51
    2.4.2 粘性效应和翼间干扰的影响  51
  2.5 本章小结  51-54
第3章数值模拟方法及验证  54-74
  3.1 前言  54
  3.2 旋翼数值模拟方法  54-62
    3.2.1 流体主控方程  55-58
    3.2.2 方程的离散和求解  58-59
    3.2.3 边界条件  59-61
    3.2.4 Spalart-Allmaras 湍流模型  61-62
  3.3 单旋翼数值模拟  62-66
    3.3.1 计算流程  62-63
    3.3.2 升阻特性  63-64
    3.3.3 流场分析  64-66
  3.4 单旋翼试验验证  66-72
    3.4.1 试验装置  66-67
    3.4.2 试验方法  67-68
    3.4.3 试验结果分析  68-71
    3.4.4 验证分析  71-72
  3.5 本章小结  72-74
第4章共轴双旋翼单元气动特性分析  74-92
  4.1 前言  74
  4.2 共轴双旋翼试验研究  74-77
    4.2.1 试验装置  74-75
    4.2.2 试验方法  75-77
  4.3 试验结果分析  77-85
    4.3.1 间距对共轴拉力的影响  77-80
    4.3.2 转速对悬停效率的影响  80-83
    4.3.3 气动干扰作用分析  83-85
  4.4 数值模拟结果分析  85-89
    4.4.1 流线分布  85-88
    4.4.2 压强分布  88-89
  4.5 本章小结  89-92
第5章非平面式双旋翼单元气动特性分析  92-120
  5.1 前言  92
  5.2 非平面双旋翼试验研究  92-95
    5.2.1 试验装置  92-93
    5.2.2 试验方法  93-95
  5.3 试验结果分析  95-106
    5.3.1 倾转角度的影响  95-98
    5.3.2 旋翼间距的影响  98-100
    5.3.3 雷诺数的影响  100-104
    5.3.4 气动干扰作用分析  104-106
  5.4 非平面双旋翼气动特性数值模拟  106-117
    5.4.1 面对面状态流线分布  106-111
    5.4.2 背对背状态流线分布  111-115
    5.4.3 典型状态压强分布  115-117
  5.5 本章小结  117-120
第6章非平面式双旋翼单元来流试验研究  120-140
  6.1 前言  120
  6.2 试验设计  120-122
    6.2.1 试验装置  120
    6.2.2 试验方法  120-122
  6.3 非平面旋翼试验结果分析  122-138
    6.3.1 倾转角度的影响  122-125
    6.3.2 旋翼间距的影响  125-127
    6.3.3 雷诺数的影响  127-133
    6.3.4 气动干扰作用分析  133-138
  6.4 本章小结  138-140
第7章总结与展望  140-146
  7.1 论文工作进展及总结  140-143
  7.2 本文的创新工作  143-144
  7.3 后续工作展望  144-146
参考文献  146-154
在学期间学术成果情况  154-156
指导教师及作者简介  156-158
致谢  158

Hex-rotor无人机多旋翼流场数值模拟与试验研究

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