低空复杂风场下旋翼气动干扰特性风洞试验

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32054

第二十七届中国科协年会专栏

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低空复杂风场下旋翼气动干扰特性风洞试验

刘洋, 史勇杰(), 徐国华

南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室，南京 210016

收稿日期:2025-04-01 修回日期:2025-05-07 接受日期:2025-06-24 出版日期:2025-06-30 发布日期:2025-06-27
通讯作者: 史勇杰 E-mail:shiyongjie@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11972190)

Wind tunnel test of rotor aerodynamic interference characteristics in complex low-altitude wind fields

Yang LIU, Yongjie SHI(), Guohua XU

National Key Laboratory of Rotorcraft Aeromechanics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2025-04-01 Revised:2025-05-07 Accepted:2025-06-24 Online:2025-06-30 Published:2025-06-27
Contact: Yongjie SHI E-mail:shiyongjie@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972190)

摘要/Abstract

摘要：

低空区域受地形和环境风的共同作用，形成复杂的干扰风场。在风洞中分别构建包含障碍尾流、空间约束和随机湍流的3类典型低空干扰风场，利用六分量天平测量旋翼非定常气动力和力矩，通过时-频联合分析，对比了不同工况和干扰位置下旋翼气动力影响规律。建立了基于延迟分离涡模拟（DES）的风场模拟方法，分析了不同干扰场景下旋翼-环境耦合流场特征。结果表明，空间约束引起的旋翼尾迹再循环会降低旋翼拉力，围合度越高削弱作用越严重。障碍物尾流区的大尺度周期性脱落涡会使旋翼遭受低频扰动，随着旋翼离地高度及与干扰物间水平距离的增大，流场中高频脉动增加，旋翼拉力功率谱峰值向高频迁移。随机湍流能量集中在高频段，对驾驶员工作负荷相关的低频敏感区影响较小。研究揭示了不同干扰场景下流动能量分布与旋翼气动力响应特征的内在关联，为旋翼飞行器的湍流抑制设计提供了理论依据。

关键词: 风洞试验, 旋翼, 气动干扰, 低空风场, 大气湍流

Abstract:

The low-altitude environment for rotorcraft is characterized by complex wind fields resulting from the combined effects of terrain and wind conditions. This study investigates the aerodynamic interference mechanisms of three typical low-altitude wind fields on a rotor system， generated in a wind tunnel， including obstacle wake， spatial constraints， and random turbulence. Unsteady aerodynamic forces and moments acting on the rotor were measured using a six-component force balance. The influence of varying wind conditions and interference locations on rotor aerodynamic characteristics was assessed through time-frequency analysis. Furthermore， a disturbance wind field simulation method based on Detached Eddy Simulation （DES） is proposed. Numerical simulation results were then used to analyze the characteristics of the rotor-environment coupled flow field in various scenarios. The results reveal that rotor wake recirculation induced by spatial constraints decreases rotor thrust， and the reduction is exacerbated by increased confinement. The large-scale periodic vortex shedding within the obstacle wake region results in low-frequency aerodynamic perturbations. Increasing the rotor height above ground and the horizontal distance from the obstacle increases high-frequency fluctuations within the flow field， leading to a migration of the rotor thrust power spectrum peak towards higher frequencies. Random turbulence exhibits energy concentration in the high-frequency band， exhibiting a comparatively small effect on the low-frequency sensitive region associated with pilot workload. This research reveals the inherent relationship between energy distribution and rotor aerodynamic response characteristics in various scenarios， providing the theoretical basis for the design of turbulence suppression in rotorcraft.

Key words: wind tunnel test, rotor, aerodynamic interference, low-altitude wind field, atmospheric turbulence

中图分类号:

V211.52

刘洋, 史勇杰, 徐国华. 低空复杂风场下旋翼气动干扰特性风洞试验[J]. 航空学报, 2026, 47(1): 632054.

Yang LIU, Yongjie SHI, Guohua XU. Wind tunnel test of rotor aerodynamic interference characteristics in complex low-altitude wind fields[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(1): 632054.

图/表 21

表1

图 1

表2

图 2

图 3

图 4

表3

干扰状态旋翼CT/CT,OGE试验与计算值对比

状态	坐标（L，H） m	$C T / C T, O G E$
状态	坐标（L，H） m	计算值	试验值	误差/%
1	0.8，0.4	0.841	0.853	1.407
1	0.8，0.6	0.864	0.901	4.107
2	0，0.4	0.737	0.783	5.875
2	0，0.6	0.779	0.780	0.128
3	0，0.6	1.158	1.157	0.086
3	0，0.8	1.166	1.178	1.019

表3

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

表4

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

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参考文献 27

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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

外形参数	数值
旋翼翼型	NACA63A312
桨叶片数	4
旋转方向	俯视逆时针
桨毂半径/m	0.135
桨叶弦长/m	0.063
桨叶半径/m	0.411
桨叶扭转	9°线性负扭

状态	干扰物	风洞入口风速	试验点
1	平面扰流板	V=0，10 m/s	L=0.8 m； H=0.4，0.6，0.8，1 m
1	平面扰流板	V=0，10 m/s	H=0.6 m； L=0.6，0.8，1，1.2 m
2	围合式障碍	V=0，10 m/s	L=0 m； H=0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 m
3	尖劈、粗糙元	V=0，10 m/s	L=0 m； H=0.4，0.6，0.8，1 m

参数	风向	H=0.4 m	H=0.6 m	H=0.8 m
湍流强度	水平方向	0.063 3	0.056 7	0.049 2
	侧向	0.758 9	0.687 9	0.461 8
	竖向	0.602 9	0.667 4	0.667 3
积分尺度/m	水平方向	1.049 3	1.452 9	1.549 4
	侧向	0.011 5	0.058 8	0.058 5
	竖向	0.068 8	0.052 2	0.039 1

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