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無人機螺旋槳的空氣動力學設計 版權信息
- ISBN：9787030731661
- 條形碼：9787030731661 ; 978-7-03-073166-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
無人機螺旋槳的空氣動力學設計 本書特色
該書系統介紹螺旋槳空氣動力學的基礎理論和設計、驗證方法。使讀者能夠在閱讀了本書的內容之后，能夠對螺旋槳空氣動力學有一個完整、系統的認識。
無人機螺旋槳的空氣動力學設計 內容簡介
本書介紹了螺旋槳空氣動力學理想效率、螺旋槳與翼型、螺旋槳空氣動力學設計的基本方法和范例、現代螺旋槳性能的評估方法以及螺旋槳空氣動力學發展的前沿問題。參照本書提供的思路、理論、方法及資料，讀者可以完成螺旋槳空氣動力學設計與評估的絕大部分工作，適合初學者學習使用，并為專業的設計人員提供了可靠的算例資料和進一步發展的思路借鑒。
無人機螺旋槳的空氣動力學設計 目錄
目錄
前言
第1章 螺旋槳概述 1
1.1 螺旋槳的組成與分類 1
1.2 螺旋槳的動量方程 2
1.3 螺旋槳的能量方程 3
1.4 螺旋槳的理想效率 7
第2章 翼型與螺旋槳 11
2.1 葉素與速度三角形 11
2.2 翼型的參數 12
2.2.1 翼型的幾何參數 12
2.2.2 翼型的空氣動力學參數 13
2.3 螺旋槳設計中對翼型的要求 21
2.3.1 螺旋槳的常用翼型 21
2.3.2 對翼型的一般要求 25
2.3.3 對翼型的特殊要求 26
2.3.4 翼型性能對螺旋槳性能的影響 26
2.4 螺旋槳相似準則 29
2.4.1 螺旋槳相似準則的推導 29
2.4.2 螺旋槳相似準則的物理意義 31
2.4.3 螺旋槳相似準則的應用 31
第3章 無人機螺旋槳初步設計方法與實例 35
3.1 螺旋槳設計條件的確定 35
3.1.1 飛行（器）條件 35
3.1.2 發動機系統條件 36
3.1.3 螺旋槳本體條件 37
3.2 應用Betz條件初步設計螺旋槳的方法 38
3.2.1 螺旋槳設計中的Betz條件 38
3.2.2 應用Betz條件的基本公式 40
3.3 設計實例 42
3.3.1 設計參數與要求 42
3.3.2 應用Betz條件的設計 43
3.3.3 設計結果的表示 46
3.3.4 檢查與校核 47
第4章 螺旋槳性能計算 49
4.1 螺旋槳性能計算的基本概念 49
4.1.1 絕對運動中的速度和加速度 49
4.1.2 相對運動中的速度和加速度 50
4.1.3 基本方程 51
4.2 基于渦格法的螺旋槳性能計算 53
4.2.1 傳統的渦格法 53
4.2.2 改進的渦格法 57
4.3 基于求解N-S方程的螺旋槳性能計算 64
4.3.1 用于流場求解的控制方程 64
4.3.2 邊界條件與初始條件 65
4.3.3 湍流模型 67
4.3.4 旋轉坐標系與交界面 69
4.3.5 N-S方程的數值求解方法 70
第5章 無人機螺旋槳優化設計 72
5.1 螺旋槳優化設計方法簡介 72
5.2 基于遺傳算法的優化設計 74
5.2.1 遺傳算法 75
5.2.2 基于渦格法的遺傳算法尋優 82
5.3 基于代理模型的遺傳算法尋優 83
第6章 螺旋槳的風洞試驗 86
6.1 螺旋槳風洞試驗的分類 86
6.2 風洞試驗的裝置 88
6.2.1 空氣動力天平簡介 88
6.2.2 試驗裝置 89
6.3 風洞試驗數據的修正 91
6.4 風洞試驗方案的確定與試驗的典型步驟 93
6.4.1 確定風洞試驗方案時需要考慮的其他因素 93
6.4.2 關于螺旋槳試驗效率大于1的問題 94
6.4.3 風洞試驗的典型步驟 95
第7章 涵道螺旋槳設計方法 98
7.1 涵道螺旋槳的快速設計方法 99
7.1.1 動量理論 100
7.1.2 螺旋槳槳葉設計過程 101
7.1.3 初始涵道數據 104
7.1.4 試驗驗證 105
7.2 槳尖間隙對涵道螺旋槳性能的影響 108
7.2.1 地面試驗與數值模擬方法 109
7.2.2 結果分析與討論 111
7.3 涵道螺旋槳推力矢量新方法 126
7.3.1 關于16H-1的研究 128
7.3.2 X-49氣動性能的數值模擬研究 133
7.3.3一種新型VTDP系統的概念設計 133
7.3.4 三種VTDP系統性能的對比 136
第8章 螺旋槳設計研究中的其他問題 142
8.1 螺旋槳與噪聲 142
8.1.1 相關概念及螺旋槳的發聲機理 142
8.1.2 螺旋槳氣動聲學的數值計算 146
8.1.3 螺旋槳氣動聲學的試驗研究 147
8.2 對轉螺旋槳 150
8.3 螺旋槳與發動機的匹配 152
8.3.1 活塞式發動機的工作性能 152
8.3.2 螺旋槳與發動機匹配的作圖法 153
8.3.3 螺旋槳與發動機匹配情況的評價 154
8.4 展望 163
參考文獻 164
附錄 167
附錄1 SCLKY翼型外形與性能 167
附錄2 LIMBACHL275EF發動機性能 174
附錄3 L2400DX發動機性能數據 175
前言
第1章 螺旋槳概述 1
1.1 螺旋槳的組成與分類 1
1.2 螺旋槳的動量方程 2
1.3 螺旋槳的能量方程 3
1.4 螺旋槳的理想效率 7
第2章 翼型與螺旋槳 11
2.1 葉素與速度三角形 11
2.2 翼型的參數 12
2.2.1 翼型的幾何參數 12
2.2.2 翼型的空氣動力學參數 13
2.3 螺旋槳設計中對翼型的要求 21
2.3.1 螺旋槳的常用翼型 21
2.3.2 對翼型的一般要求 25
2.3.3 對翼型的特殊要求 26
2.3.4 翼型性能對螺旋槳性能的影響 26
2.4 螺旋槳相似準則 29
2.4.1 螺旋槳相似準則的推導 29
2.4.2 螺旋槳相似準則的物理意義 31
2.4.3 螺旋槳相似準則的應用 31
第3章 無人機螺旋槳初步設計方法與實例 35
3.1 螺旋槳設計條件的確定 35
3.1.1 飛行（器）條件 35
3.1.2 發動機系統條件 36
3.1.3 螺旋槳本體條件 37
3.2 應用Betz條件初步設計螺旋槳的方法 38
3.2.1 螺旋槳設計中的Betz條件 38
3.2.2 應用Betz條件的基本公式 40
3.3 設計實例 42
3.3.1 設計參數與要求 42
3.3.2 應用Betz條件的設計 43
3.3.3 設計結果的表示 46
3.3.4 檢查與校核 47
第4章 螺旋槳性能計算 49
4.1 螺旋槳性能計算的基本概念 49
4.1.1 絕對運動中的速度和加速度 49
4.1.2 相對運動中的速度和加速度 50
4.1.3 基本方程 51
4.2 基于渦格法的螺旋槳性能計算 53
4.2.1 傳統的渦格法 53
4.2.2 改進的渦格法 57
4.3 基于求解N-S方程的螺旋槳性能計算 64
4.3.1 用于流場求解的控制方程 64
4.3.2 邊界條件與初始條件 65
4.3.3 湍流模型 67
4.3.4 旋轉坐標系與交界面 69
4.3.5 N-S方程的數值求解方法 70
第5章 無人機螺旋槳優化設計 72
5.1 螺旋槳優化設計方法簡介 72
5.2 基于遺傳算法的優化設計 74
5.2.1 遺傳算法 75
5.2.2 基于渦格法的遺傳算法尋優 82
5.3 基于代理模型的遺傳算法尋優 83
第6章 螺旋槳的風洞試驗 86
6.1 螺旋槳風洞試驗的分類 86
6.2 風洞試驗的裝置 88
6.2.1 空氣動力天平簡介 88
6.2.2 試驗裝置 89
6.3 風洞試驗數據的修正 91
6.4 風洞試驗方案的確定與試驗的典型步驟 93
6.4.1 確定風洞試驗方案時需要考慮的其他因素 93
6.4.2 關于螺旋槳試驗效率大于1的問題 94
6.4.3 風洞試驗的典型步驟 95
第7章 涵道螺旋槳設計方法 98
7.1 涵道螺旋槳的快速設計方法 99
7.1.1 動量理論 100
7.1.2 螺旋槳槳葉設計過程 101
7.1.3 初始涵道數據 104
7.1.4 試驗驗證 105
7.2 槳尖間隙對涵道螺旋槳性能的影響 108
7.2.1 地面試驗與數值模擬方法 109
7.2.2 結果分析與討論 111
7.3 涵道螺旋槳推力矢量新方法 126
7.3.1 關于16H-1的研究 128
7.3.2 X-49氣動性能的數值模擬研究 133
7.3.3一種新型VTDP系統的概念設計 133
7.3.4 三種VTDP系統性能的對比 136
第8章 螺旋槳設計研究中的其他問題 142
8.1 螺旋槳與噪聲 142
8.1.1 相關概念及螺旋槳的發聲機理 142
8.1.2 螺旋槳氣動聲學的數值計算 146
8.1.3 螺旋槳氣動聲學的試驗研究 147
8.2 對轉螺旋槳 150
8.3 螺旋槳與發動機的匹配 152
8.3.1 活塞式發動機的工作性能 152
8.3.2 螺旋槳與發動機匹配的作圖法 153
8.3.3 螺旋槳與發動機匹配情況的評價 154
8.4 展望 163
參考文獻 164
附錄 167
附錄1 SCLKY翼型外形與性能 167
附錄2 LIMBACHL275EF發動機性能 174
附錄3 L2400DX發動機性能數據 175
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無人機螺旋槳的空氣動力學設計 節選
第1章螺旋槳概述 螺旋槳空氣動力學設計人員首先需要考慮如何在滿足拉力/推力等要求和功率、油耗等限制條件下，設計出效率盡可能高的螺旋槳，即螺旋槳的效率盡可能接近*高效率。因此，設計人員必須了解螺旋槳的*高效率及如何達到*高效率。螺旋槳的*高效率是指在一定假設條件下，螺旋槳理論上能夠達到的效率上限，通常又稱理想效率。下面將從螺旋槳空氣動力學的基本理論出發，介紹螺旋槳效率的理論上限和各種相關因素對螺旋槳*高效率的影響，為設計高性能的螺旋槳奠定理論基礎。 1.1螺旋槳的組成與分類 典型的螺旋槳由槳葉、槳轂和槳帽組成，如圖1-1所示。 圖1-1螺旋槳組成示意圖 螺旋槳的分類有許多種，可按槳葉角是否可調、槳葉數量、螺旋槳直徑、槳葉材料等進行分類。一般來講，槳葉角是指槳葉前緣和后緣連線與旋轉平面的夾角。螺旋槳按槳葉角是否可調分為固定槳葉角螺旋槳（又稱定距槳）和可調整槳葉角螺旋槳（又稱變距槳）。其中，變距槳又分為飛行中可調整槳葉角的變距槳和只能在地面手動調整槳葉角的變距槳。螺旋槳按槳葉數量分為2葉螺旋槳、3葉螺旋槳和4葉螺旋槳等。螺旋槳按螺旋槳直徑分為小型螺旋槳、中型螺旋槳和大型螺旋槳等。螺旋槳按槳葉材料分為木質螺旋槳、復合材料螺旋槳和金屬螺旋槳等。 1.2螺旋槳的動量方程 如圖1-2所示，取通過螺旋槳槳盤的流管及其上下游無窮遠處構成控制體。假設來流氣體密度為ρ，未受螺旋槳擾動的軸向速度和壓強分別為V∞和p∞。當氣流逼近螺旋槳槳盤時，軸向速度增大、壓強減小，螺旋槳槳盤前的壓強（靜壓）為p，氣流通過螺旋槳槳盤后壓強增加Δp，軸向速度增大為V∞(1+a)，其中a為螺旋槳槳盤處軸向誘導因子，定義為a=(V-V∞)/V∞，V是槳盤處氣流軸向速度；當氣流到遠下游面S1處時，壓強恢復到原來流壓強p∞，但軸向速度進一步增大為V∞(1+b)，其中b為遠下游誘導因子，b的定義為b=(V1-V∞)/V∞，V1是遠下游處滑流軸向速度。 圖1-2螺旋槳動量方程示意圖 設螺旋槳槳盤的面積為S，由動量定理可知，螺旋槳對氣流的作用力（與螺旋槳的推力T大小相等、方向相反）等于單位時間內氣流通過槳盤動量的增量，即 （1-1） 式（1-1）為螺旋槳動量方程，其中ρSV∞(1+a)為單位時間內流過槳盤的氣體質量。首先考察槳盤處軸向誘導因子a和遠下游誘導因子b的關系。假設氣流流動為不可壓縮理想勢流，槳盤前后的伯努利方程可分別寫為槳盤前氣流總壓： （1-2） 槳盤后氣流總壓： （1-3） 則槳盤前后總壓差為 （1-4） 螺旋槳推力為 （1-5） 式（1-1）和式（1-5）相等，得 （1-6） （1-7） 也就是說，由動量方程可知，在槳盤處的氣流速度增量是螺旋槳遠下游滑流區內速度增量的一半。這是一個非常有用的結論，以后會經常用到。 由式（1-1）和式（1-7）可得 （1-8） 記螺旋槳無其他損失條件下的消耗功率為P，則 （1-9） 螺旋槳的空氣動力學效率定義為螺旋槳產生的有效功率與螺旋槳消耗功率的比值，即 （1-10） 式（1-10）表明了螺旋槳的空氣動力學效率與軸向誘導因子的關系，軸向誘導因子越小，空氣動力學效率越高。 1.3螺旋槳的能量方程 為了方便分析，將螺旋槳的槳盤劃分成若干小圓環，如圖1-3所示，每個小圓環稱為環素。圖1-3中，r表示環素距旋轉中心的距離，dr表示環素的寬度。dS表示環素的面積。u表示該處的軸向速度，ω表示流體的角速度。在槳盤遠下游S1截面處的螺旋槳滑流內的靜壓為p1，軸向速度為u1，滑流內距螺旋槳旋轉軸距離為r1處的氣流角速度為ω1，槳盤直徑為R。 由質量守恒定律可知： （1-11） 圖1-3螺旋槳槳盤環素示意圖 假設，則 （1-12） 螺旋槳微元的扭矩等于單位時間內滑流中通過該環素氣流角動量的增量，即 （1-13） 由動量矩定理可知，氣流在槳盤向后的流動中，角動量不變，即 （1-14） 由伯努利方程可得，槳盤遠前方氣流總壓為 （1-15） 槳盤前的氣流總壓為 （1-16） 式中，u為氣流軸向速度。這里假設氣流沒有沿槳葉徑向的流動。槳盤后的氣流總壓為 （1-17） 由于假定槳盤后的氣流流動無損失，槳盤遠后方氣流總壓也為 （1-18） 式（1-17）中的代表槳盤處氣流旋轉帶走的動能。由式（1-16）和式（1-17）有 （1-19） 再由式（1-18）和式（1-16）可知，槳盤遠后方滑流區內外壓差為 換一個角度分析，以螺旋槳為參考系，則氣流在槳盤前的相對角速度為.，槳盤后氣流的相對角速度降為.-ω。因此，槳盤處的壓力增量為 （1-20） （1-21） 經推導[1]，螺旋槳滑流中各相關速度有如下關系： （1-22） 若不計尾流中因旋轉運動而降低的壓力，一個理想螺旋槳某一環素上的拉力和扭矩分別為 （1-23） （1-24） 式中。 對式（1-5）微分并結合式（1-21）得 （1-25） （1-26） 由式（1-23）和式（1-26）得到a與a′有如下關系式： （1-27） 由式（1-23）可得 （1-28） 由式（1-24）可得 （1-29） 代入式（1-27）得 （1-30） （1-31） 式（1-31）等號左端是螺旋槳從發動機獲得的能量與螺旋槳有用功的差值，等號右端是螺旋槳對空氣做的功，即過程中系統的能量損失。式（1-30）寫成微分方程： （1-32） 式（1-32）為螺旋槳的能量方程。若考慮葉素阻力消耗的能量，則能量關系式為 （1-33） 式中，dE/dr表示單位時間內的槳葉葉素阻力所消耗的能量。 若設B為槳葉數，C為槳葉在半徑r處葉素的弦長，W為該葉素處的相對速度，CD為葉素翼型的阻力系數，則該葉素的阻力為 （1-34） 那么，在單位時間內所有槳葉，在r處葉素阻力消耗的能量為 （1-35） 或 （1-36）
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