涵道共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形關(guān)鍵技術(shù)研究

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1、魏Ａ／ｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓｙ博士學(xué)位論文涵道共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形關(guān)鍵技術(shù)研究作者姓名：姜悅寧指導(dǎo)教師：賈宏光研究員中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所學(xué)位類(lèi)別：工學(xué)博士學(xué)科專(zhuān)業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化培養(yǎng)單位：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所２０１７年５月中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明：舉人鄭審聲叫：所交的論義造木人在導(dǎo)師的指４卜獨(dú)立進(jìn)彳」研宄工作所取得的成汜．。盡我所知，除

2、文中匕經(jīng)注明引⑴的內(nèi)容外本論義含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)犮農(nóng)或撰寫(xiě)過(guò)的研宄成果。對(duì)論文所涉及的研究工作做出ｗ獻(xiàn)。，／的其他個(gè)人和集體均己在文中以明確方式標(biāo)明或致謝．作者簽名：曰期：》Ｊｒ、；＾中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明本人完全了解并同意遵守中國(guó)科學(xué)院有關(guān)保存和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即中？ｎ，國(guó)科學(xué)院存權(quán)保留送交學(xué)位論文的副本允許該論文被杏閱，ｊ以按照學(xué)術(shù)研究公開(kāi)原則和保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原則公布該論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他玆制手段保存。、匯

3、編本嗲位論文涉密及延遲公開(kāi)的學(xué)位論文在解密或延遲期后適用本聲明。丨導(dǎo)師簽名：作者簽名：；！?。?；十｜」０？：ｎ期？「］期２０＇Ｄｑ］博士學(xué)位論文涵道共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形關(guān)鍵技術(shù)研究作者姓名：姜悅寧指導(dǎo)教師:賈宏光研究員中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所學(xué)位類(lèi)別:工學(xué)博士學(xué)科專(zhuān)業(yè):機(jī)械制造及其自動(dòng)化培養(yǎng)單位:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所2017年5月KEYTECHNOLOGYRESEARCHONAERODYNAMICSHAPEOFDUCTEDCO-AXIALROTORU

4、AVADissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyInMechanicalManufactureandAutomationByJIANGYue-ningSupervisor:ProfessorJiaHong-guangChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsan

5、dPhysicsChineseAcademyofSciencesMay,2017摘要涵道共軸雙旋翼式飛行器能夠垂直起降，且具有噪聲小、安全性高、靈活等特點(diǎn)，同時(shí)具有上下兩副繞同一軸線反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，起到抵消產(chǎn)生的反扭矩的作用，因此具有很好的發(fā)展前景。但是，該類(lèi)飛行器涵道螺旋槳系統(tǒng)的流場(chǎng)特性較傳統(tǒng)固定翼無(wú)人機(jī)復(fù)雜，本文對(duì)涵道共軸雙旋翼飛行器設(shè)計(jì)及分析過(guò)程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的理論與數(shù)值仿真研究，重點(diǎn)進(jìn)行了涵道單、雙旋翼氣動(dòng)特性理論計(jì)算方法的推導(dǎo)與分析及CFD(ComputationalFluidDyn

6、amics)數(shù)值模擬方法的求解，具體的研究主要包括：（1）對(duì)涵道共軸雙旋翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)。確定了共軸雙旋翼、控制舵片與外加涵道環(huán)括的結(jié)構(gòu)形式。針對(duì)涵道單旋翼和涵道共軸雙旋翼懸停狀態(tài)下的滑流模型，明確提出了涵道雙槳的軸流特點(diǎn)，并采用動(dòng)量理論和葉素理論的組合理論建立了涵道螺旋槳的氣動(dòng)計(jì)算模型，分析了涵道比例因子、雙槳間距及槳根安裝角對(duì)涵道中螺旋槳的影響，量化分析了涵道共軸雙旋翼氣動(dòng)性能的優(yōu)勢(shì)，為涵道共軸雙旋翼式無(wú)人機(jī)的總體設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)；（2）采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)懸停狀態(tài)下的孤立單、雙旋翼，涵道單

7、、雙旋翼系統(tǒng)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算。將旋翼流場(chǎng)的計(jì)算區(qū)域分為靜域和動(dòng)域兩個(gè)部分，滿(mǎn)足物面和遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件的同時(shí)，在靜域和動(dòng)域的分界面建立了交界面邊界條件，以保證分界面兩側(cè)通量保持守恒。采用多參考坐標(biāo)系的滑移網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合Navier-Stokes主控方程、基于密度的耦合隱式算法、有限體積的空間離散方法及Standardk-epsilon湍流模型，建立了一套針對(duì)涵道共軸雙旋翼的CFD計(jì)算模型，準(zhǔn)確地描述了旋翼的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及流場(chǎng)渦流現(xiàn)象，對(duì)涵道旋翼流場(chǎng)的壓力分布、速度矢量及跡線分布進(jìn)行了分析；總結(jié)了懸停狀態(tài)下

8、加裝涵道后氣動(dòng)效率提高的機(jī)理，驗(yàn)證了雙槳在拉力和扭矩等氣動(dòng)性能上較單槳的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步分析了懸停狀態(tài)下槳盤(pán)間距對(duì)氣動(dòng)力的影響，計(jì)算了不同飛行速度、迎角和槳盤(pán)間距下的前飛性能。（3）搭建了小型涵道螺旋槳?dú)鈩?dòng)性能測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)的方法進(jìn)一步量化涵道布局較無(wú)涵道布局氣動(dòng)性能的優(yōu)勢(shì)。測(cè)量了懸停狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)速、雙槳間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)下系統(tǒng)的拉力。對(duì)比了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了求解方法的有效性。I本文提出的三種氣動(dòng)特性計(jì)算