涵道共軸雙旋翼無人機(jī)氣動外形關(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涵道共軸雙旋翼無人機(jī)氣動外形關(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中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所學(xué)位類別：工學(xué)博士學(xué)科專業(yè)：機(jī)械制造及其自動化培養(yǎng)單位：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所２０１７年５月中國科學(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他個人或集體己經(jīng)犮農(nóng)或撰寫過的研宄成果。對論文所涉及的研究工作做出ｗ獻(xiàn)。，／的其他個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公開原則和保護(hù)知識產(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：；！?。墸皇梗?？：ｎ期？「］期２０＇Ｄｑ］博士學(xué)位論文涵道共軸雙旋翼無人機(jī)氣動外形關(guān)鍵技術(shù)研究作者姓名：姜悅寧指導(dǎo)教師:賈宏光研究員中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所學(xué)位類別:工學(xué)博士學(xué)科專業(yè):機(jī)械制造及其自動化培養(yǎng)單位:中國科學(xué)院長春光學(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，同時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，該類飛行器涵道螺旋槳系統(tǒng)的流場特性較傳統(tǒng)固定翼無人機(jī)復(fù)雜，本文對涵道共軸雙旋翼飛行器設(shè)計及分析過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的理論與數(shù)值仿真研究，重點進(jìn)行了涵道單、雙旋翼氣動特性理論計算方法的推導(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）對涵道共軸雙旋翼無人機(jī)的氣動布局進(jìn)行了設(shè)計。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，并采用動量理論和葉素理論的組合理論建立了涵道螺旋槳的氣動計算模型，分析了涵道比例因子、雙槳間距及槳根安裝角對涵道中螺旋槳的影響，量化分析了涵道共軸雙旋翼氣動性能的優(yōu)勢，為涵道共軸雙旋翼式無人機(jī)的總體設(shè)計打下基礎(chǔ)；（2）采用CFD數(shù)值模擬方法對懸停狀態(tài)下的孤立單、雙旋翼，涵道單

7、、雙旋翼系統(tǒng)的氣動特性進(jìn)行了計算。將旋翼流場的計算區(qū)域分為靜域和動域兩個部分，滿足物面和遠(yuǎn)場邊界條件的同時，在靜域和動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，建立了一套針對涵道共軸雙旋翼的CFD計算模型，準(zhǔn)確地描述了旋翼的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及流場渦流現(xiàn)象，對涵道旋翼流場的壓力分布、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、加裝涵道后氣動效率提高的機(jī)理，驗證了雙槳在拉力和扭矩等氣動性能上較單槳的優(yōu)勢。進(jìn)一步分析了懸停狀態(tài)下槳盤間距對氣動力的影響，計算了不同飛行速度、迎角和槳盤間距下的前飛性能。（3）搭建了小型涵道螺旋槳氣動性能測試平臺，通過試驗的方法進(jìn)一步量化涵道布局較無涵道布局氣動性能的優(yōu)勢。測量了懸停狀態(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。對比了數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果，驗證了求解方法的有效性。I本文提出的三種氣動特性計算