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第1章 绪论1

1.1 空气动力学的内容1

1.1.1 定义1

1.1.2 研究问题的类型3

1.2 空气动力学的研究工具4

1.2.1 解析工具4

1.2.2 计算工具4

1.2.3 实验工具4

1.3 直升机概况5

1.3.1 发展简述5

1.3.2 直升机分类7

1.4 直升机空气动力学发展概况8

1.4.1 经典空气动力学理论8

1.4.2 基于CFD技术的旋翼流场模拟9

1.4.3 旋翼计算声学简介11

1.4.4 旋翼／机身等多部件的气动干扰简介12

1.5 旋翼基本参数介绍12

参考文献14

第2章 旋翼动量理论15

2.1 引言15

2.2 垂直飞行时的动量理论15

2.2.1 垂直上升状态15

2.2.2 悬停状态17

2.2.3 垂直下降状态17

2.2.4 诱导速度普遍规律20

2.3 前飞时的动量理论21

2.3.1 平飞状态21

2.3.2 爬升和下滑状态23

2.3.3 诱导速度普遍规律24

参考文献24

第3章 旋翼叶素理论25

3.1 引言25

3.2 桨叶翼型25

3.2.1 桨叶翼型几何参数26

3.2.2 桨叶翼型空气动力学特性26

3.2.3 桨叶翼型设计30

3.3 垂直飞行时的叶素理论31

3.3.1 旋翼拉力和功率的微分形式31

3.3.2 旋翼拉力和功率的积分形式33

3.3.3 旋翼拉力的近似解析式34

3.3.4 旋翼功率的近似解析式34

3.3.5 完善系数34

3.4 基于叶素-环量理论的拉力系数35

3.5 基于叶素-动量组合理论的拉力系数36

3.6 前飞时的叶素理论37

3.6.1 旋翼拉力和功率的积分形式38

3.6.2 旋翼拉力和功率的近似解析式38

3.6.3 旋翼功率的一般表达式39

参考文献40

第4章 旋翼涡流理论42

4.1 引言42

4.2 基本概念42

4.2.1 Kelvin定理42

4.2.2 Helmholtz定律43

4.2.3 Biot-Savart定律43

4.2.4 涡与环量44

4.3 垂直飞行时的涡流理论45

4.3.1 儒氏旋翼涡系模型45

4.3.2 儒氏旋翼诱导速度46

4.3.3 非儒氏旋翼涡系模型52

4.3.4 非儒氏旋翼诱导速度52

4.4 前飞时的涡流理论53

4.4.1 旋翼涡系模型53

4.4.2 旋翼诱导速度53

4.4.3 桨叶附着涡环量的求解54

参考文献54

第5章 旋翼自由尾流分析技术56

5.1 引言56

5.2 涡动力学基础56

5.3 自由涡系模型57

5.3.1 旋翼桨叶涡系模型57

5.3.2 旋翼尾迹模型58

5.3.3 旋翼桨尖涡模型59

5.3.4 涡核扩散模型59

5.4 桨叶附着涡环量求解60

5.5 远尾迹涡丝控制方程61

5.6 远尾迹涡丝控制方程的求解62

5.6.1 远尾迹周期边界条件62

5.6.2 PIPC松弛迭代法求解过程63

5.7 自由尾迹／面元法的耦合模型算例65

5.7.1 求解方法65

5.7.2 涡／面干扰66

5.7.3 算例分析66

参考文献67

第6章 旋翼CFD理论基础知识69

6.1 引言69

6.2 适合旋翼的流体力学控制方程组69

6.2.1 连续性方程69

6.2.2 动量方程72

6.2.3 能量方程74

6.2.4 控制方程的选择形式75

6.3 控制方程的离散化75

6.3.1 有限差分法（FDM）75

6.3.2 有限体积法（FVM）77

6.4 网格生成简介78

6.4.1 椭圆网格生成实例80

6.4.2 多区重叠网格（嵌套网格）简介82

6.5 结论85

参考文献85

第7章 旋翼N-S方程SIMPLE数值模拟方法87

7.1 引言87

7.2 SIMPLE算法87

7.2.1 交错网格技术87

7.2.2 SIMPLE算法基本假设89

7.2.3 SIMPLE算法基本步骤90

7.2.4 SIMPLE算法的简单算例90

7.3 SIMPLER算法简介91

7.4 代数方程组的求解93

7.5 前飞旋翼湍流场的数值模拟算例94

7.5.1 流场控制方程94

7.5.2 动量源项95

7.5.3 算例方案描述96

7.5.4 前飞流场分析97

7.5.5 前飞性能预测99

7.6 垂直下降旋翼湍流场的数值模拟算例101

7.6.1 桨盘压差源项计算102

7.6.2 垂直下降算例方案描述103

7.6.3 模型旋翼悬停算例验证105

7.6.4 垂直下降算例流场分析106

7.6.5 垂直下降性能预测110

7.7 斜下降旋翼湍流场的数值模拟算例112

7.7.1 计算模型及方法112

7.7.2 旋翼升阻气动特性114

7.7.3 单片桨叶压力场随周期的变化115

7.7.4 孤立旋翼流场分析117

7.7.5 旋翼／机身组合流场分析118

参考文献119

第8章 旋翼TVD数值模拟方法120

8.1 引言120

8.2 TVD格式的概念和性质120

8.2.1 TVD的概念120

8.2.2 TVD的性质121

8.3 TVD格式的构造121

8.3.1 一阶TVD格式121

8.3.2 二阶TVD格式122

8.3.3 高阶TVD格式简介127

8.4 对一维和多维方程组的推广127

8.4.1 一维方程组的推广128

8.4.2 多维方程组的推广128

8.5 算例：旋翼流场Euler方程Jameson/TVD数值模拟128

8.5.1 主控方程129

8.5.2 数值方法130

8.5.3 结果分析131

参考文献136

第9章 旋翼绕流N-S方程数值计算方法138

9.1 引言138

9.2 Jameson格式138

9.2.1 标量人工粘性的中心差分方法138

9.2.2 各向异性的人工粘性139

9.2.3 矩阵人工粘性模型140

9.3 TVD格式141

9.3.1 TVD的概念141

9.3.2 单调格式、保单调格式和TVD性质的充分条件141

9.3.3 显式一阶TVD格式举例143

9.4 一种Jameson/TVD混合格式143

9.4.1 N-S方程和通量修正法143

9.4.2 旋翼流场N-S方程Jameson/TVD数值模拟方法146

9.5 Jameson格式与其他格式148

9.5.1 积分形式下的旋翼流动控制方程148

9.5.2 空间离散格式152

9.5.3 悬停旋翼流动的数值模拟161

9.5.4 前飞旋翼流动的数值模拟169

参考文献174

第10章 旋翼洗流和旋翼／机身／发动机耦合流场分析177

10.1 引言177

10.2 旋翼洗流分析177

10.3 旋翼／机身干扰流场179

10.3.1 “作用盘”假设179

10.3.2 N-S方程直接模拟179

10.4 旋翼／机身／发动机耦合流场186

10.5 旋翼／机身／柱体耦合流场191

10.5.1 旋翼／机身耦合流场191

10.5.2 机身／柱体耦合流场194

参考文献198

第11章 旋翼计算声学基础200

11.1 引言200

11.2 Ffowcs Williams-Hawkings方程和Kirchhoff理论200

11.2.1 Ffowcs Williams-Hawkings方程200

11.2.2 Kirchhoff理论200

11.3 两种方法的比较201

11.4 桨涡干扰噪声的模拟209

11.5 计算流体力学方法212

参考文献214

习题与思考题216

附录 彩图页219