基于涡管模型的倾转四旋翼气动干扰快速分析

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30705

流体力学与飞行力学

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基于涡管模型的倾转四旋翼气动干扰快速分析

王冶平¹, 吉洪蕾¹^,²(), 周攀², 叶毅³

^1.重庆大学航空航天学院，重庆 400044
^2.中国空气动力研究与发展中心旋翼空气动力学重点实验室，绵阳 621000
^3.南京航空航天大学航空学院，南京 210016

收稿日期:2024-05-20 修回日期:2024-06-21 接受日期:2024-09-19 出版日期:2024-09-24 发布日期:2024-09-23
通讯作者: 吉洪蕾 E-mail:jhl@cqu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11902052);重庆市自然科学基金(CSTB2022NSCQ-MSX1592);中国空气动力研究与发展中心旋翼空气动力学重点实验室研究开放课题(RAL202302-3)

Fast analysis of aerodynamic interference for quad-tiltrotor based on vortex tube model

Yeping WANG¹, Honglei JI¹^,²(), Pan ZHOU², Yi YE³

^1.College of Aerospace Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China
^2.Key Laboratory of Rotor Aerodynamics，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^3.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2024-05-20 Revised:2024-06-21 Accepted:2024-09-19 Online:2024-09-24 Published:2024-09-23
Contact: Honglei JI E-mail:jhl@cqu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11902052);Natural Science Foundation of Chongqing(CSTB2022NSCQ-MSX1592);Open Project of the Key Laboratory of Rotor Aerodynamics, China Aerodynamics Research and Development Center(RAL202302-3)

摘要/Abstract

摘要：

针对倾转四旋翼飞行器总体设计和飞行动力学建模时难以准确快速评估旋翼间气动干扰的问题，发展基于涡管尾迹模型的多旋翼气动干扰快速分析方法。基于经典涡流理论假设，将各副旋翼尾迹涡系抽象为一根半无限长的涡管，推导旋翼涡管尾迹对空间任意一点诱导速度的半解析解，形成多旋翼间气动干扰的高效计算方法，并与旋翼自诱导速度的动态入流模型结合，建立准确高效的多旋翼诱导速度计算模型。在此基础上，采用共轴和纵列式双旋翼拉力-功率性能曲线的风洞试验结果验证模型。最后，针对某倾转四旋翼飞行器缩比模型分析其直升机模式和倾转过渡时四副旋翼之间的气动干扰特性。结果表明：该模型能够较为准确地捕捉旋翼垂直和水平间距对旋翼间气动干扰的影响，可以用于多旋翼气动干扰快速分析；倾转四旋翼飞行器在直升机模式附近的旋翼间气动干扰特性变化剧烈，合理的气动布局和旋翼旋转方向设计能够有效改善受干扰旋翼桨盘平面的诱导速度及载荷分布。

关键词: 倾转四旋翼, 涡管尾迹, 气动干扰, 诱导速度, 飞行动力学

Abstract:

In order to address the challenge of accurately and rapidly evaluating the aerodynamic interference between rotors in the overall design and flight dynamics modeling of quad-tiltrotor aircraft， a fast analysis method for multirotor aerodynamic interference based on the vortex tube wake model is developed. Based on the classical vortex theory， the wake vortex system of each rotor is abstracted as a semi-infinite vortex tube， and a semi-analytical solution for the induced velocity at any point in space by rotor vortex tubes is derived. This forms an efficient computation method for aerodynamic interference between multirotor. Combined with the dynamic inflow model accounting for rotor self-induced velocity， an accurate and efficient model for calculating the induced velocity in multirotor is established. Based on this， the model is validated using wind tunnel test results of thrust-power performance curves for coaxial and tandem rotors. Finally， the aerodynamic interference characteristics between the four rotors of a scaled model of a quad-tiltrotor aircraft are analyzed during the helicopter mode and tilt transition mode. The results show that the model can capture the influence of vertical and horizontal spacing on aerodynamic interference between rotors relatively and accurately， making it suitable for fast analysis of multirotor aerodynamic interference. The aerodynamic interference characteristics between rotors near the helicopter mode of quad-tiltrotor aircraft vary significantly. A reasonable aerodynamic layout and rotor rotation direction design can effectively improve the induced velocity of the disturbed rotor and the load distribution on the rotor disc.

Key words: quad-tiltrotor, vortex tube wake, aerodynamic interference, induced velocity, flight dynamics

中图分类号:

V212.4

王冶平, 吉洪蕾, 周攀, 叶毅. 基于涡管模型的倾转四旋翼气动干扰快速分析[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130705.

Yeping WANG, Honglei JI, Pan ZHOU, Yi YE. Fast analysis of aerodynamic interference for quad-tiltrotor based on vortex tube model[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(2): 130705.

图/表 24

图 1

图 2

图 3

表 1

图 4

图 5

图 6

表 2

纵列式双旋翼主要参数

参数	数值
旋翼转速/（rad·s^-1）	$40 π$
旋翼半径/m	1.02
旋翼实度	0.037
翼型升力线斜率	5.73
翼型零升力阻力系数	0.008
翼型二次升力阻力系数	0.4
诱导功率修正因子	1.2
风洞试验1纵/垂向间距	1.8R/0.2R
风洞试验2纵/垂向间距	2.05R/0.4R

表 2

图 7

图 8

图 9

表 3

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

参考文献 38

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

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Fast analysis of aerodynamic interference for quad-tiltrotor based on vortex tube model

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参数	数值
旋翼间距/m	0.3
旋翼转速/（rad·s^-1）	81.472 0
旋翼半径/m	2
旋翼实度	0.1
翼型升力线斜率/rad^-1	5.73
翼型零升力阻力系数	0.01
翼型二次升力阻力系数	0.3
诱导功率修正因子	1.05

参数	数值
旋翼转速/（rad·s^-1）	211.90
旋翼半径/m	0.58
旋翼实度	0.093 8
翼型升力线斜率	5.73
翼型零升力阻力系数	0.011 5
翼型二次升力阻力系数	0.4
诱导功率修正因子	1.15
前翼横向间距	3.2R
后翼横向间距	4.2R
前后翼纵向间距	2R
前后翼垂向间距	0.2R