直升机空气动力学

《直升机空气动力学》为工业和信息化部“十四五”规划教材，是航空高等院校飞行器设计专业“直升机空气动力学”课程教材。全书共12章：直升机简介部分主要介绍直升机的发展与直升机旋翼的工作原理；理论分析方法部分包含经典的直升机空气动力学滑流理论、叶素理论和涡流理论，拓展了直升机计算流体动力学方法、气动噪声基础理论以及旋翼翼型的空气动力学特性分析；应用部分阐述了直升机空气动力学的典型应用，包括直升机飞行性能计算、特殊飞行状态、直升机气动设计以及直升机气动与噪声试验等内容。本书可供直升机设计、涵道风扇设计、风力机设计、螺旋桨设计等专业的本科生、研究生及科研人员参考。

获得国科技进步二等奖（3次）和三等奖，入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、“333”高层次人才培养计划等。2006年获“江苏省优秀博士学位论文”。

丛书序
序
前言
符号表
第1章绪论1
1.1引言1
1.2直升机发展简史2
1.2.1古代起源2
1.2.218世纪的模型探索——科学的探索手段3
1.2.319世纪的探索——动力与飞行原理3
1.2.420世纪初的探索——实用化飞行4
1.2.5推广与发展6
1.3直升机的分类6
1.3.1根据用途分类6
1.3.2根据构型分类8
1.3.3其他分类9
1.4直升机技术发展划代9
1.4.1第一代直升机10
1.4.2第二代直升机10
1.4.3第三代直升机11
1.4.4第四代直升机12
1.5直升机技术发展趋势12
1.5.1常规构型直升机技术发展趋势12
1.5.2新构型与特殊用途旋翼飞行器技术发展趋势13
1.6直升机空气动力学研究内容概述17
1.7习题19
第2章直升机旋翼的工作原理20
2.1引言20
2.2直升机的构型特征22
2.3旋翼功能简介28
2.4旋翼的外形30
2.4.1半径、直径和面积.30
2.4.2桨叶宽度和桨叶根梢比30
2.4.3桨叶翼型31
2.4.4桨叶剖面安装角和桨叶扭度32
2.5旋翼工作环境33
2.6旋翼的运动34
2.6.1旋转运动35
2.6.2挥舞运动35
2.6.3摆振运动37
2.6.4变距运动37
2.7旋翼操纵原理简介37
2.7.1操纵拉力大小37
2.7.2操纵拉力方向38
2.8旋翼量纲一的参数39
2.9习题40
第3章旋翼滑流理论42
3.1引言42
3.2基本介绍42
3.2.1分析基础42
3.2.2垂直飞行45
3.2.3前飞47
3.3诱导速度52
3.3.1悬停和垂直飞行的诱导速度52
3.3.2前飞时诱导速度55
3.4垂直飞行时气动力计算57
3.4.1拉力公式和功率公式57
3.4.2旋翼的效率57
3.4.3旋翼悬停时的效率59
3.5前飞时气动力计算61
3.5.1拉力公式和功率公式61
3.5.2前飞升阻比63
3.6其他考虑因素63
3.7习题64
第4章旋翼翼型空气动力学基础65
4.1引言65
4.2翼型基本参数65
4.2.1几何弦长65
4.2.2翼型无量纲坐标66
4.2.3厚度66
4.2.4弯度66
4.3翼型空气动力及力矩67
4.4翼型静态气动特性70
4.4.1翼型升力特性70
4.4.2翼型力矩特性71
4.4.3翼型阻力特性与极曲线71
4.4.4雷诺数和马赫数的影响72
4.5翼型动态气动特性74
4.6旋翼专用翼型76
4.7习题78
第5章桨叶运动与叶素理论79
5.1引言79
5.2桨叶剖面的工作环境79
5.2.1垂直飞行状态80
5.2.2前飞状态81
5.3旋翼的挥舞运动85
5.3.1挥舞运动起因85
5.3.2挥舞运动方程90
5.4旋翼操纵原理93
5.5旋翼的空气动力特性96
5.5.1垂直飞行状态96
5.5.2前飞状态100
5.5.3挥舞运动系数107
5.6入流模型110
5.6.1垂直飞行状态110
5.6.2前飞状态112
5.7习题115
第6章旋翼涡流理论117
6.1引言117
6.2经典涡流理论117
6.2.1毕奥–萨伐尔定律118
6.2.2轴流状态118
6.2.3前飞状态121
6.3尾迹分析方法概述122
6.3.1桨叶附着涡系模型123
6.3.2尾迹涡系模型123
6.3.3尾迹方法的环量求解124
6.3.4尾迹方法的控制方程126
6.3.5固定尾迹127
6.4半经验方法——预定尾迹模型128
6.4.1悬停预定尾迹模型128
6.4.2前飞预定尾迹模型129
6.5现代尾迹分析方法——自由尾迹模型130
6.5.1稳态松弛求解方法130
6.5.2时间精确方法132
6.6尾迹分析方法中的涡核模型133
6.7气动力求解135
6.8高分辨率涡方法136
6.9习题137
第7章直升机CFD方法导论139
7.1引言139
7.2直升机网格及其生成方法140
7.2.1网格生成方法140
7.2.2运动嵌套网格方法142
7.3计算流体力学的控制方程144
7.3.1前飞状态旋翼非定常流场控制方程144
7.3.2垂直飞行状态旋翼流场控制方程145
7.4流场控制方程的数值求解146
7.4.1空间离散146
7.4.2时间离散148
7.4.3湍流模型149
7.4.4边界条件150
7.5直升机CFD方法的应用152
7.5.1旋翼翼型气动特性模拟152
7.5.2旋翼流场及气动特性模拟153
7.6习题157
第8章直升机气动噪声基础158
8.1引言158
8.2旋翼气动噪声计算理论158
8.2.1莱特希尔声学类比理论158
8.2.2福克斯威廉姆斯-霍金斯方程162
8.2.3旋翼噪声计算公式164
8.2.4基本声学量166
8.3直升机气动噪声分类167
8.3.1直升机噪声水平167
8.3.2外部噪声构成168
8.3.3旋翼噪声分类169
8.4直升机气动噪声发声原理169
8.4.1旋转噪声169
8.4.2宽频噪声173
8.4.3桨/涡干扰噪声175
8.4.4高速脉冲噪声181
8.5习题185
第9章直升机飞行性能计算186
9.1引言186
9.2力平衡关系186
9.2.1垂直飞行过程中力的平衡关系186
9.2.2常规飞行过程中力的平衡关系188
9.3直升机发动机特性193
9.3.1活塞式发动机的特性195
9.3.2涡轮轴式发动机的特性197
9.4功率平衡关系198
9.4.1垂直飞行过程中的功率平衡关系198
9.4.2前飞过程中的功率平衡关系199
9.5垂直上升性能201
9.6水平飞行速度限制202
9.6.1功率约束下的水平飞行速度202
9.6.2失速和激波对*大飞行速度的限制204
9.7爬升性能计算207
9.8续航性能计算209
9.9自转性能计算211
9.10电动直升机212
9.11习题.215
第10章直升机特殊飞行状态216
10.1引言216
10.2地面效应216
10.3沙盲219
10.4着舰221
10.5涡环状态222
10.6自转飞行227
10.7机动飞行232
10.8习题235
第11章直升机气动设计236
11.1引言236
11.2旋翼桨叶气动外形设计准则236
11.2.1旋翼翼型设计原理237
11.2.2桨叶三维外形设计原则238
11.2.3桨尖外形设计原则238
11.2.4旋翼桨叶气动优化设计通用方法240
11.3旋翼直径的初步设计241
11.4茹氏旋翼及扭转设计243
11.5旋翼桨叶气动外形设计案例244
11.5.1旋翼翼型静态设计244
11.5.2旋翼翼型动态设计246
11.5.3常规旋翼桨叶外形设计248
11.5.4尾桨/涵道尾桨外形设计250
11.5.5高速共轴刚性旋翼桨叶外形设计252
11.6主动控制技术253
11.6.1合成射流技术253
11.6.2后缘小翼技术254
11.6.3自适应旋翼技术255
11.6.4单片桨叶控制260
11.6.5高阶谐波控制261
11.6.6平面内噪声主动控制261
11.7习题262
第12章直升机气动与噪声试验263
12.1旋翼试验的基本理论263
12.1.1相似理论263
12.1.2量纲分析264
12.1.3量纲分析法和相似准则265
12.1.4相似准则的物理意义267
12.2试验模型要求270
12.2.1试验模型的分类270
12.2.2试验模型的相似性要求271
12.3风洞和试验设备272
12.3.1低速风洞273
12.3.2常用风洞275
12.3.3直升机旋翼试验台275
12.3.4测力天平276
12.4旋翼性能试验278
12.4.1雷诺数修正278
12.4.2悬停试验279
12.4.3前飞试验280
12.5组合模型风洞试验281
12.5.1旋翼/机身组合模型风洞试验281
12.5.2旋翼/机身/尾桨组合模型风洞试验282
12.6旋翼气动噪声试验283
12.6.1噪声试验的相似性原理283
12.6.2消声室283
12.6.3声学风洞试验284
12.7气动试验中的几类常规试验285
12.7.1测力/测压试验——旋翼桨叶气动载荷测量285
12.7.2测速试验——旋翼流场测量286
12.7.3旋翼姿态角及弹性变形测量试验288
12.8习题289
参考文献290