应用PIV测量缩比共轴双旋翼流场特性的研究

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摘要：采用粒子图像测速（Particle image velocimetry，piv）技术对一缩比共轴双旋翼模型在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验。测量得到了旋翼流场的瞬时涡量的速度分布，桨尖涡的脱落轨迹，悬停时的尾迹边界和前飞时的尾迹边界等流场特性参数分布。研究了不同状态下共轴双旋翼流场的气动干扰特性。在悬停时，下旋翼的桨尖外侧有上洗流现象，而下旋翼则没有。与共轴双旋翼性能试验数据比较得出，在悬停时共轴双旋翼形式存在有利的相互气动干扰现象。实验还得出了悬停和不同前进比前飞时菜尖涡的脱落轨迹。

关键词：粒子图像测速；共轴双旋翼；悬停；前飞；旋翼流场；桨尖涡脱落轨迹

中图分类号：V211.52；V211.7 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）02-0220-08

在共轴双旋翼系统中，上下两幅旋翼与其各自的尾迹存在严重的相互干扰现象，相比单旋翼系统而言，其流场特性更为复杂。从先前的旋翼试验中发现，在悬停或低速前飞时，下旋翼桨盘的很大一部分都处于上旋翼的尾流之中，改变了整个旋翼的人流分布，同时也影响了下旋翼桨叶的边界层。这种上下旋翼流场的相互干扰不仅不利于共轴双旋翼的整体性能的提高，而且在悬停时会引起流场不稳定性。上下旋翼桨叶脱落的桨尖涡是共轴双旋翼流场的一个明显特征。在过去的几十年间，由于桨尖涡对旋翼噪声水平，振动水平和整体性能起决定性作用，单旋翼的桨尖涡已经引起足够的重视。而共轴双旋翼的流场现象较单旋翼更为复杂，因此研究其流场特性有其必要性，目前已成为该领域的热门方向。

了解尾迹结构，上下旋翼的人流分布和涡量分布对提高共轴双旋翼的性能至关重要。在过去的几十年间，对共轴双旋翼流场特性的研究已经投入了大量的努力与尝试，其中不乏有使用计算流体力学的方法来研究共轴双旋翼的性能；Leishman等人建立了一套基于简单动量理论和叶素动量理论的方法来研究共轴双旋翼的尾迹；Lakshminarayan等人运用计算流体力学（Computationalfluid dynamics，CFD）手段研究共轴双旋翼悬停时的气动特性。但是由于庞大的计算负担和一些研究问题的简单化处理，使这些计算方法得到的结果都不够理想。

基于以上问题，迫切需要可靠的实验方法来研究缩比或全尺寸旋翼模型，但目前通过实验方法来研究共轴双旋翼流场特性的文献还很少。文献中使用烟流显示及跟踪摄像的方法在空气中观测了共轴双旋翼的流场，但由于该方法的空间分辨率较低，无法扑捉到一些感兴趣的流场细节；2003年，北京航空航天大学李洪昌，邓彦敏等人使用染色液显示法对共轴双旋翼的尾迹形态进行了水洞试验研究；后来有研究者运用激光多普勒测速技术（Laser Doppler velocimetry，LDV）技术对共轴旋翼悬停时的尾迹进行测量，然而该技术只能实现对速度的有限单点测量，无法进行全场测量；近年来粒子图像测速（Particle image velocimetry，PIV）技术有了长足的发展，作为以一种激光非接触性瞬时全场测量方法，它能同时测得涡量场和速度场。马杨超等人运用PIV技术对共轴双旋翼进行了水洞实验。

本文采用PIV技术对一缩比共轴双旋翼模型进行水洞实验，实验在北京航空航天大学流体所重点实验室的1.2 m低速水洞中进行。该缩比模型可以通过拆卸上旋翼得到相同参数的单旋翼模型，从而在实验中可以对共轴双旋翼和单旋翼作不同的实验数据对比，完成悬停和不同前进比的水洞实验。