小型串列旋翼地面效应下的洗水形态

工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374完整文章地面效应下缩尺串列旋翼绕流测量阿里·梅赫拉比a，阿里·R.达瓦里湾a伊朗德黑兰伊斯兰阿扎德大学航空航天工程系科学和研究处b伊斯兰阿扎德大学工程系科学和研究处，P.O. Box：14515/775，德黑兰1477893855，伊朗阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2020年6月16日修订2020年8月31日接受2020年9月26日网上发售保留字：单个转子小串列转子外洗地面效应簇技术A B S T R A C T关于小型串列旋翼在近地面的空气动力学，还有许多问题有待发现。本文利用多用途试验台，在旋翼前后不同位置上安装两个全静倾流耙，对一般串列旋翼直升机缩尺模型地面效应下的洗水形态进行结果表明，在串联转子中，耙距转子的变化对冲水流速度的影响较小。转子尾流和喷泉流的形成之间的相互作用影响了转子的洗出，并改变了它们的行为相比，一个单一的转子。对于高于z/2 R = 0.8的高度，由于流动再循环，转子的平均流出速度为负。随着转子高度的降低，通过在测量区域内远离转子而加速了水洗。本文的研究结果与CH-47 D直升机的试验结果比较表明，旋翼重叠是旋翼之间的分离速度大于非重叠旋翼的结果。簇状流显示显示了转子之间喷泉流的证据，并且在串联转子附近，由于喷泉流的形成和随之产生的吸力，所产生的流出速度是向内的©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍与过去几十年相比，人们对非定常空气动力学有了更深入的了解，这为直升机近地面性能问题提供了新的思路。直升机在近地面悬停时，由于与地面的相互作用，旋翼诱导的气流方向由垂直方向变为径向流出方向[1]。转子盘载荷值决定了诱导流的强度[2]。如图所示，水洗从叶尖的外侧区域开始，并从直升机流出。1 .一、地面效应是直升机性能中的一个众所周知的问题后者在实际飞行以及风洞或悬停试验中是主要关注的问题。一般来说，对于离地面小于一个旋翼直径的高度，悬停性能受到地面效应的强烈影响[3]。流场*通讯作者。电子邮件地址：ardavari@srbiau.ac.ir（A.R. Davari）。由Karabuk大学负责进行同行审查根据每个区域中的主要现象，串联转子配置周围的气流可分为五个区域，如图2所示。在直升机下面的一个相对静止的流动区域，很可能类似于喷泉流，尽管还没有关于串列旋翼的测量报告来证实这一假设。在文献中，该区域被称为喷泉流，并在两个转子的交叉点下方形成，此处气流向上[4]。对于近地面工作的单旋翼，地面附近的下洗流沿表面由垂直向径向迅速变化，并向远离盘区的方向延伸。图3显示了该区域的一些流动可视化结果。转捩区包含边界层内许多长度尺度变化很大的湍流涡。当地面以上的转子高度降低时，涡面以更高的涡流速度拉伸，导致粘性扩散减少，成对叶尖涡的数量增加【5】。这些事件保持了更长的涡核原始形状，并保持了其原始形状[6]。叶尖涡和涡面以及叶片上的压力跃变会引起速度的显著振荡，这在转子洗出流测量中必须考虑在内。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.08.0162215-0986/©2020 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841375Fig. 1. 直升机在地面效应中的操作。旋翼洗流取决于旋翼的平均诱导在地面上方较高的转子高度处，叶片涡流在到达地面之前扩散当叶片充分靠近地面运行时，叶尖涡流在两转内被壁射流中的湍流剪切流扩散[1]。由于这些流体现象，对于给定的转子，必须有一个高度以上的地面上的出水速度达到其最大值。该高度主要取决于平均下洗速度、叶尖涡流强度，当然还有叶片数量[1]。这两种形式表明推力载荷和叶尖速度的影响。转子中叶片的数量决定了旋转过程中撞击表面的叶尖涡和涡面的数量。已有一些研究致力于串列旋翼构型周围的复杂结果表明，上述现象不能用推力或旋翼离地高度等自变量的线性函数来模拟串联转子的问题首先由Step-niewski[7]研究。他提出了一个重叠修正系数来改进双旋翼的诱导功率估算丁格尔丹[8]研究了转子间距的影响，得出了转子叶尖间隙越大，性能越好的结论。在一些研究中，已经使用全尺寸或小尺寸机身簇绒研究了直升机模式下单主旋翼直升机和倾转旋翼机的下洗/外流特性【9在黑鹰UH60直升机机身上进行的一次此类试验的结果随后被用于验证数值方法[10]。在这些实验中，在直升机悬停飞行模式下运行期间，安装在地面上的簇的波动行为表明，旋翼洗流在小于旋翼半径三分之二的范围内流向机体，而在此范围之外的流动则是洗流。图三. 单旋翼地面效应流场显示1.直升机周围的下洗流和外流流的共同作用在干旱的沙漠中作业时，这种现象会导致事故，因为在那里，近地面飞行时的下洗/水洗[12]。在灯火管制中，飞机和地面障碍物的碰撞会造成重大的飞行和地勤人员安全风险。飞行员不能看到附近的物体，这些物体提供了控制靠近地面的飞机所必需的外部视觉参考[10，13因此，掉电特性取决于转子尾流的涡量对倾转旋翼或并排旋翼等较简单的流场进行了几项研究，以确定和减少掉电的不利后果【6，16Schane提出了一项关于垂直/短距起落飞机的下洗/洗流对灯火管制编队和人员安全的影响的调查[20]。重要的是要注意，与上述配置相反，在地面效应中，串联转子的洗出，即使是其非重叠类型，也更加复杂，因为在倾斜转子的并排布置中，每个转子受另一个转子的尾流的影响较小，但是在串联布置中，每个转子，特别是后转子，受前转子尾流涡流的影响。对旋翼机旋翼洗流进行了调查，以更好地了解和量化与各种类型相关的潜在危害全尺寸直升机和倾转旋翼机的旋翼洗流场。图二. 串列转子绕流区的概念性论证。A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841376将数学模型与危害分析模型相结合，开发了一种分析方法，用于评估各种操作场景中与旋翼洗流相关的潜在危害还开发了一些计算机代码来分析旋翼洗流并防止旋翼洗流引起的事故和事件【21在参考文献[4]中收集并介绍了大量研究的结果，以确定全尺寸单旋翼直升机、纵列式直升机和倾转旋翼机周围的下洗/外流的在这项研究中，使用Paxman方法，人员，结构和材料上的非定常阻力和能量所产生的冲刷和危险范围在悬停和着陆机动计算和介绍。参考文献[23]研究了在不同旋翼高度和推力条件下悬停时存在地面效应时单主旋翼亚比例直升机的外流。测量的数据包括流出速度和方向、转子载荷、引信载荷和地面压力。这些实验是在NASA兰利研究中心的试验室进行的。研究人员观察到转子高度和峰值平均流出速度之间的线性关系发生在径向站1.7和1.8 r/R之间，无论转子高度。纵列旋翼无人机小旋翼的下洗流场和外洗流场与常规直升机旋翼的下洗流场和外洗流场存在一定的差异，这是由于它们的转速、雷诺数和桨尖速度范围不同造成的。因此，粘度效应更有可能出现在转子洗流中【24】。然而，围绕这种转子的流动，特别是在串联布置中，在先前的研究中没有被关注，并且仍然是一个未知的问题。为了分析旋翼下洗/洗流，通过描述处于地面效应的悬停旋翼与撞击地面的射流之间的流场相似性，使用了撞击射流公式【16，25在这些研究中，转子离地高度、直径和盘载荷分别与喷嘴高度、直径和存在压力相等由于射流不受串列旋翼相互作用面内事件等现象的影响，因此不适合采用射流机制另一方面，串联转子配置与空气出口射流[26]几乎没有相似之处。因此，应采用更真实的模型来分析串列转子周围的流动参数。本文研究了CH-47 D直升机[2]参考文献[26]. 在这些实验中，测量了不同展向位置和方位角下的中心速度他们还确定了垂直于串联转子重叠区域的平面内的高速梯度进行这些研究是为了调查旋翼水洗的影响，并计算它们对地勤人员和直升机周围设备产生冲击力的可能性参考文献[26]中研究的机身非常简单，由两个轴对称的空心体连接在一起组成。由于机身安装系统的平衡，机身下方的大部分气流被认为是中断的，而在实际悬停飞行中，机身下方的区域主要是下洗/外流。值得注意的是，喷泉流对下洗和外洗有重要影响，在流动研究中应加以考虑Ramasamy[26]没有考虑这一事实，但在本研究中，测量时考虑了喷泉流量，因此获得了更真实的结果。在另一项数值研究[27]中，使用粘性涡粒子法研究了重叠串列旋翼下洗/洗流中的流动行为及其地面效应尾流串联转子的结果与CH-47 D[26]型的数据进行了比较，两者之间的相关性很好在该数值模拟中，没有考虑串列转子之间产生的喷泉流的影响，该喷泉流对下洗和洗出行为参考文献[1]研究了在一定的旋翼分离和雷诺数[24]使用高速立体粒子图像测速法（SPIV），而不存在身体及其影响。他们观察到，在低雷诺数下，转子的效率随着转子距离的减小而降低如前所述，实验是在在风洞里。近年来，随着数字计算机和数值算法的出现，使用计算流体动力学已经获得了有价值的信息[28然而，在合理的计算时间和成本下进行足够准确的预测仍然是具有挑战性的问题[30]。在网格生成和湍流模型选择时必须小心，以正确捕捉诸如洗出流和转子尾流结构等复杂现象的细节【11，26】。当然，在最近的研究中，已经使用了计算流体动力学方法，并将其与测量结果进行了比较，结果表明这些方法取得了重大进展，并成功模拟和预测了直升机的空气动力性能条件[31]。在叶尖涡流的数值模拟以及与机身和地面的洗出流干扰中，仍存在一些缺失问题，可以通过新的空气动力学模型【29，32】解决。已经报道的大多数实验研究都是在风洞或特殊的小型悬停室中进行的在这种情况下，被燃烧室或风洞壁阻挡的气流决定了流场，使其不同于真实飞行中的流场[33在悬停状态下旋翼自由流的模拟中，尾迹涡中会出现回流，问题就比较复杂。尽管使用了各种方法来消除风洞或室壁上的边界层影响[35- 37]，36]，在壁约束实验数据和实际测试期间获得的数据之间观察到的大部分差异被认为是由于壁效应[37]。地面邻近效应也是大多数实验研究中缺少的问题。虽然对纵列式旋翼布局的空气动力学，特别是地面效应进行了一些研究，但这一领域的现有知识仍然不足，在实际操作条件下旋翼与机身以及旋翼与地面的相互作用问题上还可以做更多的工作。需要一个大的试验箱来减少壁面的相互作用和影响.本研究中使用了一个多功能试验台，在没有任何自由流的情况下，以最小的围壁效应，研究了缩尺四元旋翼通用模型周围的洗出流特性。各种悬停高度可以在地面效应和地面效应外进行检查。该试验台能够测量悬停状态下的压力和速度分布。研究了完整机身和无重叠叶片的转子对洗流特性的影响。为了显示旋翼之间存在或不存在重叠对洗出流的影响，结果与文献中关于全尺寸CH-47 D直升机[2]以及Ramasamy[26]检查的模型重叠串列旋翼的几乎相似的数据一致。由于叶片之间的重叠不利地增加了转子的诱导功率消耗，因此本研究的主要目的是获得一般的流动模式，并对小型串列转子（无重叠）进行定性研究，以便有可能使用具有较高盘载荷的较小转子用于串列转子无人机。A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841377-见图4。 试验台的整体视图。2. 实验设备和装置整个试验台包括三个子系统：主支架、数据采集部分以及数据输入和记录部分，如图4所示。电机模块、机身、称重传感器、转子和压力传感器管安装在主支架上。主支架高度可以垂直改变，以保持直升机在不同的高度从地面。压力传感器和信号放大器盒位于数据采集部分。采用16个高精度、高灵敏度的差压传感器测量了耙体的总压，传感器的输出记录频率为500 Hz。数据采集时间为35 s，在此期间记录了17，500个样本。这种采样率足以捕捉流场中的周期性变化和不稳定性。压力传感器的响应时间和预热时间分别为1和20 ms。它们的电源激励电压和电流分别为5 V和10 mA。它们的压力范围是2千帕到+ 2千帕。传感器在10 ~ 60 °C温度范围内的误差预算为2.5%。由于高灵敏度，外部机械应力和安装位置会影响此类传感器的零压力输出读数。因此，它们在出厂设置时具有自动调零功能。自动-归零是存储零压力读数并在正常操作期间从装置输出中自动减去它的过程。如果没有这一点，测量误差将增加到约6.5%。与以往的许多研究相比，本试验是在大的试验环境中进行的，在风洞壁的影响和由此产生的流动阻塞和影响最小的情况下，获得了更可靠的数据。实验在宽7.3 m、长9.1 m、高3.5 m的试验室中进行，没有环境风。2.1. 模型描述采用了两套定桨距转子系统。串联转子之间没有重叠。转子驱动系统采用两台EMAX 385 KV无刷电机，能够驱动转子，转速高达3000RPM。在实验中使用的转子是刚性固定间距的木质两叶片26x8英寸螺旋桨，没有预锥角。转子直径为0.664 m。转子截面为NACA 0 0 12，推力系数CT= 0.0 0 5 7，转子实度r= 0.0 755，叶片测得的叶片弦和扭转角的径向变化见图11和图12。5和6.转子中心到中心的距离是转子半径R的三倍。为了避免压缩性效应对转子叶片尖端的影响，并具有稳定的RPM，在系统运行中，实验是在1950 rpm和马赫数0.2的悬停状态下在叶尖处进行的模型机身设计成通过使用安装臂系统与旋翼驱动系统分离。转子之间没有机械连接。它们可以独立旋转，并且是同相的，它们的速度通过安装在控制面板上的速度控制器同步。转子的转速由磁传感器测量，并在测试过程中记录在计算机中。两个用于测量沿纵向轴线的水洗的耙，一个用于前旋翼，一个用于后旋翼，位于距每个旋翼中心1.5R至3R的距离范围内。图7显示了安装在模型前面和后面的两个耙。该耙由外径2.5 mm和内径1.5 mm的微型钢探头组成。探针排列在单列中，每个间隔7 cm。 在耙中的探针之间提供的间隔被完全耗尽，使得流体容易地通过而不受干扰。每个探头都直接图五. 径向弦分布。见图6。 径向扭转分布。A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841378图7.耙布置示意图和相关术语。图8.第八条。串列旋翼构型的示意图和机身下方测压孔的位置图9. 地面上一架飞机上插着一簇簇白色旗帜Fig.10. 机身底部有白色的绒毛通过塑料管连接到差压传感器。对管材料、长度和直径的各种组合进行了检查，以确保压力传递期间的最小时滞。为了测量机身下方各点处喷泉流冲击引起的压力变化，在机身上钻了一系列测压孔，图14。8.第八条。为了提供一个物理的洞察气流模式，导致外流和喷泉流，簇流可视化技术。一系列白色的旗帜插在地面上的黑色飞机上，以捕捉转子下方的外流模式。该平面中的簇长4.5 cm，安装在高度为5 cm的非常薄的木棒上，如一面旗帜 他们被放置在一个10平方厘米的面积，图。9.第九条。毛簇A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841379它们非常轻和灵活，因此它们可以随着水流自由移动。第二组白色簇被种植在机身底部的黑色背景上，以捕捉喷泉的流动。 10个。簇的长度为2.5cm，并且排列在3cm 2的面积中。实验进行了两个垂直距离从地面; h/2 R = 0.5和h/2 R = 1。对单旋翼和串联旋翼两种构型进行了试验，以比较外流场和近地效应。3. 不确定性分析为了测量本研究中的不确定度，一些测试重复了五次。结果的不确定性是标准差和t分布值的乘积[38]，取决于所考虑的观测数量和置信通过计算传感器测量压力值的平均值和标准差，在95%置信区间内，压力测量的平均不确定度为± 5.6%。换句话说，如果在相同的条件下重复实验，可能95%的新结果与本文给出的结果传感器协同工作引起的噪声、数据传输终端的误差、气动管长度引起的摩擦损失和转子引起的振荡等因素被认为是导致结果不确定性的主要因素4. 结果和讨论本文的试验和研究结果可分为四个方面：不同距离旋翼的喷流速度变化的一般规律，旋翼气动干扰对喷流场的影响，地面效应对喷流流态的影响，以及旋翼间的喷泉流4.1. 冰水沉积图11所示为仅前旋翼运行时模型前部和后部区域的水洗速度分布，该图模拟了基线单旋翼配置。测量在模型前、后耙1.5R ~ 3R之间的位置进行。这两个耙是对称地位于相对于机身的中心。本文给出了几个旋转周期内随时间变化的速度测量值及其平均值对于前、后测量位置，距离1.5R和3R处的流出速度具有相同的模式，且在距转子不同距离处的总流量为正。即，流动向外并且远离下面的模型机身移动。在这两种情况下，最大水洗速度发生在等于转子半径的高度。后排距单个前旋翼的距离大于前排距单个前旋翼的距离，因此后旋翼的速度平均值小于前旋翼的速度平均值。在1.6R以上的区域，由于回流和再循环，所有的流出速度都是负的。转子在这些区域的抽吸作用产生下洗，并使气流朝向转子盘移动。对于前部和后部位置，可以观察到，随着测量位置远离转子，单个转子的洗出流速已经减小。对于串列旋翼构型，由前后耙测量的出水速度的平均值如图所示。 12个。由于叶尖涡和叶根涡的两倍值以及双旋翼对诱导流场的综合影响，串列构型的出流速度特性与单旋翼基线相比有一定的差异与单旋翼洗出相似，串列构型在前、后区的主流速度均为正值。然而，在高于z/2 R = 0.8的高度处，值改变。此外，在这种情况下，最大的水洗速度发生在海拔z/2 R = 0.4和z/2 R = 0.6之间。与单转子相比，对于串联转子，前角距离的变化对速度的平均值的影响较小。尽管前、后旋翼与耙的距离同样，观察到由每个转子叶片的后缘涡引起的波动和湍流尾流，[39]影响了另一个转子，并改变了它们与单个转子一致的行为因此，对于串联转子构型，两个转子之间的气动相互作用影响彼此的冲刷，并导致它们下方的不同流动行为。因此，可以说扰动的传播和更多的流动偏转发生在干扰区域和转子下方，通过合并垂直尾迹。本实验中测得的值与全尺寸CH-47 D2和重叠串列转子[26]测得的水洗值一致。为了进行比较，用转子叶尖速度对水洗速度进行标准化（图13）。可以指出，两次试验的平均水流量特征基本相同，但数值不同。这些差异是由于桨叶数目、旋翼刚度、机身、串列旋翼重叠和不同的CT造成的，这些在目前Fig.11. 单旋翼布局机身前后的出流速度。A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841380×Fig.12. 纵列旋翼布局机身前后的出流速度。实验和文献中的其他数据。在Ramasamy进行的实验中，使用了一个简单的两件式熔断器，由于模型的基座安装，在流动中产生了一些堵塞，因此喷泉流动效应没有完全考虑在内。这是两个结果之间观察到的差异的另一个原因。由于CH-47 D直升机旋翼与耙之间的距离与文献[2]中CH-47 D直升机的实验相同，因此可以推断CH-47 D直升机旋翼之间的重叠导致了比非重叠旋翼更高的出水速度。在本研究中，一个1.8米2.4米的平板金属板被用作实验的参考平面。因此，地面参考条件和地面边界层的特征也影响着水洗速度的分布。图14显示了单旋翼和串联旋翼配置在两个距离1.5R和3R处的平均出水速度。单转子结构中的流速值与串联转子结构中的流速值略有不同。串联布置的旋翼之间的气动干扰影响模型的前区和后区的流出值。由于不对称下洗流、双转子诱导涡和双转子间喷泉流的影响，沿纵轴线远离模型的径向流场不对称，因此双转子周围区域的流出流场不对称。由于水洗流离开单个转子，湍流漩涡将被赋予壁射流，并且在表面附近将出现成对的漩涡[1]。结果，平均速度降低。因此，当耙距转子的距离增加时，平均速度减小，然而，测量表明这种行为不会发生在串列转子中。与单转子相比，由于串列转子诱导下降流的增加，湍流和旋涡对流速的影响减小。因此，可以推断，耙距转子的距离的变化对流速的影响很小。应注意旋翼桨毂之间的距离为3R，因此后桨距工作的单个前旋翼的距离为4.5R和6R，而前桨距为1.5R和3R。因此，后倾角的平均冲刷速度低于前倾角。在早期的研究[1，4，26]中，曾报道过转子盘附近区域的再循环流，但未报道实验测量结果。 在目前的实验中，在这个回流区的一些测量已经进行了海拔较高比z/2R = 0.8。由于地面附近的边界层效应，这些区域中的在中高度区域以上，叶尖涡是旋翼尾迹的主要贡献者。在叶片尖端形成的新涡流脱落到尾流中，并与2或3次连续叶片旋转后残留的旧涡流结合。这引起了扩散，降低了速度，也是造成不规则的行为的冰水流。这就是在靠近叶片的下部和上部区域观察到的速度差异的原因。尽管在本研究中没有叶片重叠，但已经指出，在它们的相互作用平面处，流出受到前后叶片和喷泉流的影响。这一结果是冰水沉积调查中的一个黑暗角落，在之前的调查中没有处理过，包括Ramasamy根据重叠转子的PIV测量提出的一般流动描述[26]。目前的试验是针对一般机身的更详细的模型，因此，本文中的结果使我们更好地了解机身周围和桨叶试验环境中实际发生了什么。4.2. 地面效应中的水外流为了研究地面接近度对单转子和双转子的水洗的影响，对位于离地面z = R和z = 2R两个高度处的转子的速度测量进行了比较。在图15和图16中，显示了单旋翼和串列旋翼在机身前后两个高度的速度分布。根据参考文献[1]中z = R的下洗流场中的单旋翼尾迹显示，叶尖涡在与地面相互作用时被拉伸。因此，通过远离转子，尾流涡流的扩散和减小效果减小。 因此，与旋翼在高度z = 2R时的操作相反，随着旋翼高度降低，即地面效应增加，随着远离旋翼，洗出速度增加。在这种情况下，在低于0.6R的区域，涡似乎仍在年轻涡之间传播其旋转效应，同时与地面附近充分发展的气流相互作用，其再循环效应抵消了速度，所产生的气流在机身前后向内。在高度z = R时，由于旋翼接近地面，由于较低高度处的较强涡流效应，旋翼上方的向内和再循环流以更大的速率发生。A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841381Fig.13. 串列旋翼构型的出水速度比较。在本研究中，在所有的转子洗出实验中，都观察到转子前方的洗出速度高于后方。结果表明，前区的出露速度大于后区。这些结果对叶片旋转产生的风及其对转子推力和周围环境的影响起着决定性作用。这在车辆性能规范、车辆周围的安全隔离区和相关系统设计参数中尤为重要。提出的实验和早期的，建议，对于每个转子，串联或单，有一个独特的高度以上的地面上的平均流出速度达到其最大值。在所有Fig.14. 前刀位置对单旋翼和串列旋翼洗出平均速度测量的影响结果表明，在近地表，流速分布受边界层及其厚度的影响，近地表流速很低，振幅随距离增大而增大。4.3. 喷泉的流动由于纵列式旋翼及其相关尾流产生的展向流再循环，它们与地面相互作用，并与机身下的纵向中心线相遇。这放大了喷泉流，并在机身下产生了压力。当z/2 R = 0.5时，压力增加在低海拔处更明显。喷泉流中的RMS压力值如图所示。 十七岁随着直升机高度的增加，从地面撞击机身底部的回流量减少。另一方面，由于地面效应的减弱，叶尖涡对也得到了衰减，来自地面的回流的拟序结构也发生了变化。A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841382Fig.15.接近地面对单旋翼平均出水速度的影响Fig.16. 地面接近度对串列旋翼平均出流的影响速度增加转子的旋转速度对喷泉流内的压力的大小5. 流动显示进行了簇状流显示实验，以物理地了解两个海拔高度（z/2 R = 0.5和z/2 R = 1）的水洗流模式。5.1. 单个转子单转子配置作为基线，与另一个转子的诱导流隔离在这种情况下，只有前转子旋转，后部停止。 从图中的流型演示可以看出。 18，当单转子运行时，大部分气流在地面上围绕身体是纵向流向后方和前方。冰水开始从旋转中心流出，并向前后移动。在远离工作旋翼的机身后面这种减速区也在用耙测量的冰水流速中观察到。在参考面后、前长边的某些点上，分别存在侧向/向后和侧向/向前的这些气流是纵向气流和横向气流的组合.在纵向边缘的中心区域观察到上述侧向流动因此，当一个单一的转子操作，只有三个不同的主要模式的外流观察：前向流，回流和横向流动。降低转子高度当z/2 R = 0.5时，对整个流型没有显著影响。它只会导致流动模式的周期性不稳定。5.2. 纵列式双旋翼串列布局的簇流显示显示表明，与单旋翼基线相比，它们的洗出/下洗气流有一些根本的不同这种差异是由于双旋翼对诱导流场的联合作用从图19可以看出，机头和机尾下方以及旋翼之间分别存在纵向和横向向内的气流区。这种向内的流动是在用耙进行的洗出速度测量中测得的，这是由于串联转子之间的向上喷泉流在串列转子结构下方的流动显示过程中，已经指出了在主体下方的中心区域中的撞击流的证据。在这一区域，观察到向前、向后和向上的流动。这些流动是由喷泉流诱导效应引起的，图。 20.6. 结论利用多功能试验台进行了小型串列旋翼气动性能试验。作为该研究计划的一部分，已进行了密集的测试，以研究单个和串联的沉积模式A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841383图17. 串列转子之间的冲击流RMS压力分布。转子配置在两个海拔从地面。旋翼和机身都是按比例从一个通用的串联旋翼直升机。这些实验是在一个没有环境风和较少的墙壁效应的大试验室中进行的。结果表明，对于一个单一的转子，在本研究中所研究的区域内，随着测量位置远离转子，流出速度已经降低。 相比之下，在串联转子中，前角距离的变化对速度的平均值的影响很在模型前测得的水洗速度大于模型后测得的水洗速度。由于重叠被删除，串联转子的平均洗出速度小于单转子配置。这一结果在识别串联周围的安全区域方面起着关键作用图18. 单转子旋转时的簇流可视化。图19. 串列转子旋转时的簇流显示。旋翼在悬停飞行中，例如救援行动，其在地面上的空转操作和减少掉电现象的形成。结果表明，前、后旋翼对悬停串列旋翼径向绕流的影响是不同的。这就产生了一个相对于转子中间平面的不对称的外流流场。对于高于z/2R = 0.8的高度，由于回流和再循环，转子的平均出水速度为负。随着转子高度降低，即地面效应增加，伸展与地面相互作用的叶尖涡流会降低尾流A. Mehrabi，A.R.Davari工程科学与技术，国际期刊23（2020）1374-13841384图20. 双转子运行模式（rpm = 2000）下的底部表面簇状流动可视化当远离转子时，涡流和水洗速度增加。簇流显示显示了机头和尾翼下方以及串列旋翼和喷泉之间的纵向和横向向内气流区域的存在。在转子附近，由于喷泉流的形成及其抽吸作用，所产生的流出速度是向内的。本文的研究结果与CH-47 D直升机的试验结果比较表明，旋翼重叠比非重叠旋翼的洗出速度大。本研究中经历的事件显示了小型单转子和非重叠串联转子的沉积模式之间的差异。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] T.E. Lee，J.G. Leishman，M.叶尖涡与地平面相互作用的流体动力学，J. Am.Helicopter Soc. 55（2）（2010）. 22005 22005[2] M.席尔瓦河，巴西-地隔水管，CH-47 D串联转子水洗调查，AHS第67届年度论坛，2011年。[3] 李志文，直升机空气动力学原理与CDExtra，剑桥大学出版社，2006年。[4] J.R. Preston，S. Troutman，E.基恩，M。席尔瓦，N. Whitman，M. Calvert，M.Cardamone ， M. Moulton ， S.W. Ferguson Rotorwash Operational FootprintModeling;导弹研究开发和工程中心Redstone Arsenal：2014。[5] M. Ramasamy，J.G. 李文，直升机桨叶尖涡的扩散和应变的相互关系，J。 Aircraft41（5）（2004）1014-1024.[6] B.约翰逊，J.G. Leishman，A.徐文，高速粒子图像测速技术在泥沙运移中的应用，北京：中国海洋大学。 直升机公司55（4）（2010）。42003-42003。[7] W.杨文，纵列式直升机旋翼气动干扰的一种简化方法。西方论坛（1955）71-90。[8] 丁格尔丹河C.的方法，多旋翼构型性能的风洞研究。一九五四年[9] F.F. Felker，J.S.悬停时旋翼与机翼间的气动力干扰，J Am。直升机公司 33（2）（1988）53-61。[10] A.J. Wadcock，洛杉矶Ewing，E. Solis，M.波茨坦湾Rajagopalan，旋翼机下洗流场研究，以了解直升机掉电的空气动力学，美国国家航空航天局莫菲特场，加利福尼亚州艾姆斯研究所，2008年。[11] 上午Radhakrishnan，悬停和低速前飞时四倾旋翼地面效应的实验研究2006年。[12] M.Syal ， J.G. Leishman ， Comparisons ofpredictedbrownoutdustcloudswithphotogrammetrymeasurements，67thAnnualForumProceedings of theAmerican Helicopter Society，Virginia Beach，VA，2011.[13] C. Phillips ， R.E. Brown ， Eulerian simulation of the fluid dynamics ofhelicopterbrownout，J. Aircraft 46（4）（2009）1416-1429.[14] D.P.加里克，R.G. Rajagopalan，K. Guntupalli，在灯火管制条件下旋翼机着陆机动的模拟，在：2013年国际动力升降机会议，2013年，第101页。 4266号[15] C. Phillips，H.W. Kim，R.E.布朗，直升机掉电的流动物理，第66届美国直升机协会论坛：上升到垂直升降技术的新高度，2010年。[16] R.E.确定垂直起落飞机下洗对各种地形表面侵蚀的条件的研究。航空航天管理员（一九五九年）。[17] M.乔治，E。Kisielowski，D.陈晓，垂直短距起落飞机在地效下产生的下洗流环境的研究，北京航空航天大学，1998。[18] J. Miluzzo，J.G. 李文，旋翼机断电严重性与旋翼设计参数的关系，北京：机械工业出版社。Helicopter Soc. 55（3）（2010）. 3 2 0 0 9 32009.[19] D. J. Hohler，确定垂直/短距起落飞机一般下洗流场参数的分析方法，空军航空推进实验室，赖特-帕特森空军基地，俄亥俄州：1966年。[20] W. Schane，下洗对人的影响;陆军航空医学研究单位，AL：1967年。[21] S.W. Ferguson，《旋翼洗流分析手册》。第1卷开发与分析;系统控制技术公司，弗吉尼亚州阿灵顿：1994年。[22] S.W. Ferguson，Rotorwash分析手册。第2《系统控制技术公司》，弗吉尼亚州阿灵顿，1994年。[23] Tanner，P.E.; Overmeyer，A. D.的;詹金斯湖N.的;姚角，澳-地S.的; Bartram，S.M.，旋翼机在地面效应下的洗流试验研究2015年。[24] D. Shukla，N. Komerath，多旋翼无人机空气动力学相互作用研究，无人机2（4）（2018）43。[25] W.布雷迪，G.R.刘文，均匀射流与非均匀射流冲击的理论与实验研究，国立台 湾大学机械工程研究所硕士论文，1996。[26] M. Ramasamy，M.波茨坦，G.K.Yamauchi，测量以了解有助于串列转子洗出的流动机制。2018年[27] J.F. Tan，Y.M. Sun，G.N.陆景文，地面效应下串列旋翼下洗和洗流的涡量计算方法。 飞机55（6）（2018）2491-2509。[28] J. - F. 谭，H.-W. 王，用面元/粘性涡粒子法模拟直升机旋翼非定常气动力，Aerosp。Sci. 30（1）（2013）255-268。[29] Y.你D Na，S.N. Jung，使用流固耦合方法改进旋翼空气动力学预测，Aerosp。Sci. Technol. 73（2018）118-128。[30] A. Antoniadis，D.德里卡基斯湾Zhong，G.巴拉科斯河Steijl，M.比亚瓦湖维杰瓦诺，A.布罗克赫斯特岛Boelens，M. Dietz，直升机流场计算流体动力学方法与实验流场测量的对比评估，Aerosp。Sci. Technol. 19（1）（2012）86-100。[31] J.Y. Hwang，O.J.Kwon，使用非结构混合网格方法评估S-76旋翼在地面效应中的悬停性能，Aerosp。Sci.技术84（2019）223-236。[32] J.F. Tan，T.Y. Zhou，Y.M. Sun，G.N. Barakos，倾转旋翼机和串列旋翼机在舰载飞行中气动干扰的数值研究，Aerosp。Sci. Technol.87（2019）62-72.[33] Halliday，A.;考克斯，D.，纵列式旋翼直升机模型的风洞试验。1961年，任《太平绅士》杂志社社长[34] Shahmiri，F.，旋翼模型悬停性能试验研究2013年。[35] V.M. Ganzer，W.H.罗文，风洞壁对直升机旋翼气动性能影响的试验研究，国立台湾大学。 艾伦空间管理（1960年）。[36] A.F. Lehman，J.A.陈文辉，直升机旋翼性能试验研究，国立成功大学机械工程研究所硕士论文，2000年。[37] Q. 王，英-地赵，提高无人直升机性能的旋翼气动外形设计，Aerosp。Sci.技术87（2019）478-487。[38] H. Pham，Springer工程统计手册，Springer Science&Business Media，2006年。[39] J.R. 张文龙，尾涡面的卷起及其对机翼后下洗的影响。航空员Sci. 18（1）（1951）21-32。