一种共轴式双桨叶气动性能预测方法与流程

本技术属于飞行器气动性能分析领域，尤其涉及一种共轴式双桨叶气动性能预测方法。

背景技术：

1、共轴式桨叶飞行器是未来飞行器设计的重要发展趋势之一，与传统单桨叶相比，共轴式桨叶由相互反转的上、下桨叶自身平衡滚转力矩和反扭矩。具有结构紧凑、气动效率高、机动性能和操纵性能好等优点，在相同桨盘面积下，共轴式桨叶能够承担更大的载重，在高原载重作业或其他危险任务中发挥重要作用。因此在直升机特别是多桨叶飞行器上广泛应用，如大疆t50农业无人机以及亿航evtol载人飞行器eh216-s均采用共轴式桨叶构型。

2、传统的bemt的计算方法流程图和尾流展示图如图1和图2所示。传统的bemt（bladeelement momentum theory，动量理论‌）基于动量叶素理论、简化的动量平衡方程、仅上桨叶干扰、固定尾流收缩比、忽略推力扭矩配平和均匀诱导速度来分离式的进行共轴双桨叶的计算。

3、虽然考虑了轴向间距的影响，引入了尾流收缩，但是却使用了理想的固定值，也忽略了下桨叶对上桨叶的影响，相当于将双桨叶视为两个独立单桨叶，再通过经验公式添加单向干扰（上桨叶→下桨叶），且使用均匀入流速度，也无法预测桨间距对气动性能的影响。这使得其计算结果误差较大。

4、为了快速精准的预测共轴双桨叶的性能，降低算力消耗，改进优化共轴式桨叶的气动性能计算尤为关键。由于共轴式桨叶的气动原理与常规桨叶具有明显差别，其动量叶素理论的应用也应该做出相应修改，以更好的拟合共轴双桨叶的气动性能。

5、此前通过试验发现共轴式桨叶的流场特征与传统单桨叶存在较大差异，如图3和图4所示。由于上下桨叶反向旋转，且相距很近，上下桨叶之间存在严重的气动干扰。下桨叶大部分区域处于上桨叶强烈的下洗流中，而上桨叶也会受到下桨叶的气动干扰。两者受到的干扰损失都会影响共轴双桨叶的气动性能，不可忽略。

6、共轴式桨叶飞行器最显著的特点就是采用了共轴式桨叶来实现飞行，共轴式桨叶存在上下两幅桨叶之间的气动干扰，上下桨叶的气流环境存在较大差异，其上下桨叶流场和气动力相对单桨叶发生很大变化，而共轴式桨叶气动特性分析就显得十分重要。然而现有的研究成果在计算共轴桨叶问题时上下桨叶多采用传统的动量叶素拉力，只考虑上桨叶对下桨叶的影响，缺乏下桨叶对上桨叶影响的研究。

7、因此本发明基于此问题创新性地提出了一种共轴式双桨叶气动性能预测方法，在考虑桨间干扰因子的同时引入尾流收缩比来更加精准完善的计算共轴双桨叶的气动性能。

技术实现思路

1、本技术的目的在于：针对共轴式桨叶上下桨叶间的气流环境差异以及气动干扰现象，公开了一种共轴式双桨叶气动性能预测方法，确定了共轴双桨叶间的干扰物理机制，对未来飞行器设计和发展具有重要意义。

2、本技术目的通过下述技术方案来实现：

3、一种共轴式双桨叶气动性能预测方法，所述共轴式双桨叶气动性能预测方法包括：

4、s1：制定计算状态及目标，确定进行计算分析的飞行状态为悬停状态，计算目标为悬停效率及拉力系数；

5、s2：选择参考模型，并设置共轴式桨叶气动计算基础参数；

6、s3：在确定桨叶基础参数后，基于设定的桨叶间距或者桨叶间距范围、总推力系数或者总推力系数范围、转速、下桨叶尾流收缩比和上下桨叶桨距角和，

7、通过bemt内层迭代、bemt中层迭代、bemt外层迭代，得到共轴式双桨叶在各个总推力系数和各个桨叶间距下的上下桨叶的推力系数、拉力系数和悬停效率。

8、根据一个优选的实施方式，步骤s2包括：基于xfoil翼型数据库进行二维翼型的选择，并得到相应翼型在不同迎角下的升力系数和阻力系数；根据共轴式桨叶的桨叶状态及设计参数，设置共轴式桨叶气动计算基础参数。

9、根据一个优选的实施方式，步骤s3中，通过对基础参数进行初始赋值，进行内层的诱导速度的迭代收敛过程；

10、在相应诱导速度收敛后，进入中层的上桨叶到下桨叶的尾流收缩比的迭代；

11、在尾流收缩比迭代收敛后，进入外层循环，利用迭代收敛得到的各个数值，通过改变上下桨距角来配平推力和平衡扭矩，达到相应工况要求，最后输出得到共轴式双桨叶在各个总推力系数和各个桨叶间距下的上下桨叶的推力系数、拉力系数和悬停效率。

12、根据一个优选的实施方式，所述bemt内层迭代包括：

13、基于叶素动量理论获得关于推力系数微元的表达式，根据初始的上桨叶无因次诱导速度和桨距角得到上桨叶半径位置的入流角和迎角，通过插值选择对应迎角下的，，并计算得到当前，表示上桨叶推力系数微元；

14、在初始化尾流收缩比条件下，带入初始下桨叶推力系数微元、下桨叶无因次诱导速度、上桨叶无因次诱导速度进行上桨叶诱导速度的迭代计算，并基于计算得到的上桨叶推力系数微元，更新得到新的上桨叶诱导速度；

15、根据和计算得到的上桨叶的诱导速度和推力系数微元，并结合初始下桨叶推力系数微元，根据径向位置计算得到下桨叶的诱导速度，然后再计算得到新的下桨叶推力系数微元；

16、在内层循环结束后，也就是诱导速度收敛后，再积分得到上桨叶推力系数、上桨叶扭矩系数、下桨叶推力系数和下桨叶扭矩系数。

17、根据一个优选的实施方式，通过bemt中层迭代以获得合理的尾流收缩比的取值；

18、根据landgrebe模型，通过下式计算得到尾流收缩比的值：

19、

20、

21、其中，是尾流轴向位置,表示桨叶半径，为尾流年龄，为上桨叶推力系数，是桨叶实度，是尾流半径，是叶片数，为远流场的极限收缩比,和为经验系数，是收缩速率系数。

22、根据一个优选的实施方式，经验系数和分别通过下式获得：

23、

24、

25、其中，是桨叶扭度；

26、收缩速率系数通过下式获得：

27、。

28、根据一个优选的实施方式，进行尾流收缩比的迭代过程中，

29、首先基于上桨叶的推力系数和桨叶扭度求解得到和，再计算临界尾流年龄，与进行比较，从而选择公式计算尾流年龄；

30、最后基于获得的中间值带入landgrebe模型对应表达式得到新的的取值，当达到收敛后，跳出循环，完成中层迭代收敛。

31、根据一个优选的实施方式，尾流收缩比的迭代过程中，为保证其收敛性能，将基于landgrebe模型对应表达式计算的到的未松弛的瞬时计算值记为，并对进行修正，以得到真正用于迭代过程的值，修正过程如下所示，

32、

33、其中，表示第k次迭代尾流收缩比，表示第k次迭代尾流收缩比，。

34、根据一个优选的实施方式，所述bemt外层迭代为建立在扭矩平衡和推力配平基础上的上下桨叶桨距角的迭代循环，通过调整桨距角来满足扭矩推力双约束。

35、根据一个优选的实施方式，所述bemt外层迭代具体过程包括：

36、基于上桨叶扭矩系数、下桨叶扭矩系数和上桨叶推力系数，下桨叶推力系数，计算获得残差矩阵，并使用有限差分法计算得到初始桨距角下的基准点，即初始残差矩阵；令雅可比矩阵为：，其中代表扭矩平衡，代表推力配平，表示上桨叶桨距角，表示下桨叶桨距角，通过桨距扰动法调用bemt完成迭代过程，通过用有限差分法得到和分别对应和的偏导，以此得到初始雅可比矩阵中的各个数值；

37、同时，使用broyden法更新雅可比矩阵和残差矩阵和上下桨距角，直到残差矩阵趋近于0向量，也就是扭矩达到平衡，推力得到配平后，结束循环；输出最终的双桨叶性能参数，再利用共轴双桨叶计算公式获得在给定推力系数下的悬停效率和上下桨叶的功率系数。

38、前述本技术主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本技术可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本技术方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本技术所要保护的技术方案，在此不做穷举。

39、本技术的有益效果：

40、本技术针对共轴式桨叶上下桨叶间的气流环境差异以及气动干扰现象，首次提出了上下桨叶互相干扰的计算公式和预测方法。建立了一个上下桨叶推力和诱导速度的完全双向耦合的迭代求解框架，创新性地将landgrebe的预设尾流模型动态集成到bemt迭代过程中，使收缩比随轴向间距和上桨叶推力的变化实时计算更新。成功利用bemt系统性地、高精度地预测了共轴桨叶的推力分配、功率、效率fm等随轴向间距变化的规律，实现了共轴桨叶间距依赖性能的高精度、高效率预测。使用该双桨叶性能迭代求解框架计算得到的结果与实验值高度匹配，能够更加快速、高效、准确的预测共轴双桨叶在不同工况下的气动性能。