涵道共轴双旋翼无人机气动外形关键技术研究

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1、魏Ａ／ｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓｙ博士学位论文涵道共轴双旋翼无人机气动外形关键技术研究作者姓名：姜悦宁指导教师：贾宏光研究员中国科学院长春光学精密机械与物理研究所学位类别：工学博士学科专业：机械制造及其自动化培养单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所２０１７年５月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明：举人郑审声叫：所交的论义造木人在导师的指４卜独立进彳」研宄工作所取得的成汜．。尽我所知，除

2、文中匕经注明引⑴的内容外本论义含任何其他个人或集体己经犮农或撰写过的研宄成果。对论文所涉及的研究工作做出ｗ献。，／的其他个人和集体均己在文中以明确方式标明或致谢．作者签名：曰期：》Ｊｒ、；＾中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中？ｎ，国科学院存权保留送交学位论文的副本允许该论文被杏阅，ｊ以按照学术研究公开原则和保护知识产权的原则公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他玆制手段保存。、汇

3、编本嗲位论文涉密及延迟公开的学位论文在解密或延迟期后适用本声明。丨导师签名：作者签名：；！丁；十｜」０？：ｎ期？「］期２０＇Ｄｑ］博士学位论文涵道共轴双旋翼无人机气动外形关键技术研究作者姓名：姜悦宁指导教师:贾宏光研究员中国科学院长春光学精密机械与物理研究所学位类别:工学博士学科专业:机械制造及其自动化培养单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2017年5月KEYTECHNOLOGYRESEARCHONAERODYNAMICSHAPEOFDUCTEDCO-AXIALROTORU

4、AVADissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyInMechanicalManufactureandAutomationByJIANGYue-ningSupervisor:ProfessorJiaHong-guangChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsan

5、dPhysicsChineseAcademyofSciencesMay,2017摘要涵道共轴双旋翼式飞行器能够垂直起降，且具有噪声小、安全性高、灵活等特点，同时具有上下两副绕同一轴线反向旋转的螺旋桨，起到抵消产生的反扭矩的作用，因此具有很好的发展前景。但是，该类飞行器涵道螺旋桨系统的流场特性较传统固定翼无人机复杂，本文对涵道共轴双旋翼飞行器设计及分析过程中涉及的关键技术进行了深入的理论与数值仿真研究，重点进行了涵道单、双旋翼气动特性理论计算方法的推导与分析及CFD(ComputationalFluidDyn

6、amics)数值模拟方法的求解，具体的研究主要包括：（1）对涵道共轴双旋翼无人机的气动布局进行了设计。确定了共轴双旋翼、控制舵片与外加涵道环括的结构形式。针对涵道单旋翼和涵道共轴双旋翼悬停状态下的滑流模型，明确提出了涵道双桨的轴流特点，并采用动量理论和叶素理论的组合理论建立了涵道螺旋桨的气动计算模型，分析了涵道比例因子、双桨间距及桨根安装角对涵道中螺旋桨的影响，量化分析了涵道共轴双旋翼气动性能的优势，为涵道共轴双旋翼式无人机的总体设计打下基础；（2）采用CFD数值模拟方法对悬停状态下的孤立单、双旋翼，涵道单

7、、双旋翼系统的气动特性进行了计算。将旋翼流场的计算区域分为静域和动域两个部分，满足物面和远场边界条件的同时，在静域和动域的分界面建立了交界面边界条件，以保证分界面两侧通量保持守恒。采用多参考坐标系的滑移网格模型进行计算，结合Navier-Stokes主控方程、基于密度的耦合隐式算法、有限体积的空间离散方法及Standardk-epsilon湍流模型，建立了一套针对涵道共轴双旋翼的CFD计算模型，准确地描述了旋翼的旋转效应及流场涡流现象，对涵道旋翼流场的压力分布、速度矢量及迹线分布进行了分析；总结了悬停状态下

8、加装涵道后气动效率提高的机理，验证了双桨在拉力和扭矩等气动性能上较单桨的优势。进一步分析了悬停状态下桨盘间距对气动力的影响，计算了不同飞行速度、迎角和桨盘间距下的前飞性能。（3）搭建了小型涵道螺旋桨气动性能测试平台，通过试验的方法进一步量化涵道布局较无涵道布局气动性能的优势。测量了悬停状态下不同转速、双桨间距等结构参数下系统的拉力。对比了数值计算结果与试验结果，验证了求解方法的有效性。I本文提出的三种气动特性计算