针对倾转四旋翼飞行器,采用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)方法建立了其倾转过渡状态的全机数值计算模型,可用于其气动特性的计算与分析。首先,基于动量源方法建立旋翼气动分析模型,对孤立旋翼进行气动计算并与实验结果进行对比,验证动量源方法的有效性;然后,建立全机的气动干扰数值计算模型,其中使用动量源代替旋翼并划分结构网格,对机身/机翼/短舱则采用非结构化网格进行划分;最后,分析该倾转四旋翼飞行器倾转过渡状态下旋翼与机翼的气动干扰特性,得到旋翼/机翼的气动干扰规律,可以支撑飞行器总体设计。

纵列式直升机前后旋翼之间会产生复杂的干扰现象。针对两旋翼之间的气动干扰问题进行流场分析,建立基于动量源模型和N-S(Navier-Stokes)方程的数值分析方法,选用k-ω SST两方程湍流模型,采用基于压力隐式求解器,对所建立的求解方法进行算例验证;对悬停状态、前向来流状态、后向来流状态的纵列式双旋翼直升机前后旋翼干扰流场分别进行数值模拟,并结合计算结果与流场特性,对干扰流场所产生的气动现象进行分析。结果表明:悬停状态,前后旋翼性能均降低,后旋翼对前旋翼的性能影响较大;前向来流状态,后旋翼升力损失大于悬停状态;后向来流状态,前旋翼升力损失更为明显,最低处旋翼效率损失近半。

对复合式高速直升机的旋翼两侧不同强度下洗流对机翼的气动干扰分析,可以为类似构型直升机的气动外形设计及优化提供一定的参考。采用动量源方法对复合式高速直升机悬停及前飞状态的流场进行数值模拟,分析旋翼两侧不同强度的下洗流对机翼的气动影响,研究改变旋翼桨盘高度和机翼展弦比对气动特性的影响。结果表明复合式高速直升机前飞时,随着旋翼桨盘的增高,两侧机翼升力差峰值减小,且峰值落在更小速度处;随着机翼展弦比的增大,两侧机翼升力差峰值减小,且在峰值后同一速度下,机翼越细长两侧升力差越小。

为了解决涵道风扇组合系统复杂流场的计算问题并进一步提升涵道风扇的气动性能,应用CFD和动量源方法建立了较为精细的涵道风扇组合系统气动性能分析模型,明确了涵道风扇设计参数对气动特性的影响,对设计参数进行了优化设计,有效提高了涵道风扇的气动性能,优化后涵道风扇组合拉力提升了27.58%。

针对倾转四旋翼无人机同时存在旋翼和机翼两种升力机构并且旋翼短舱可倾转的特点,采用计算流体力学的方法对无人机进行了气动分析,对旋翼流场的模拟采用了动量源法,在保证了计算精度的同时提高了计算效率。在垂直模式下,旋翼产生的下洗流会对无人机的升力造成损失;在过渡模式下,旋翼对机翼的影响会随着飞行速度的增加而降低,气动特性逐渐接近固定翼无人机。研究气动特性可为倾转四旋翼无人机的设计和控制理论研究提供参考。