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内容简介

　　《现代直升机旋翼空气动力学》旋翼空气动力学是功率型飞行器（包括直升机、螺旋桨飞机及旋翼机等）的空气动力学的核心内容。直升机旋翼空气动力学问题是直升机设计过程中的先导并且是具有全局性影响的重要研究问题。本教材的基本内容是，首先介绍经典旋翼空气动力学的基本理论，然后就现代旋翼空气动力学的先进数值模拟技术作详细论述，最后对旋翼飞行器设计中所遇到的空气动力学问题作实例解算分析；从数学角度介绍数值模拟技术和理论计算方法的原理，在侧重于物理概念的基础上，尽可能地从直升机设计工程的角度阐明直升机旋翼空气动力学的原理和现代前沿研究态势。本教材适用于高年级本科生或研究生，也可供从事直升机设计与运用工程研究的工程技术人员及其他相关专业人员学习参考。

内页插图

目录

第1章 绪论
1.1空气动力学的内容
1.1.1定义
1.1.2研究问题的类型
1.2空气动力学的研究工具
1.2.1解析工具
1.2.2计算工具
1.2.3实验工具
1.3直升机概况
1.3.1发展简述
1.3.2直升机分类
1.4直升机空气动力学发展概况
1.4.1经典空气动力学理论
1.4.2基于CFD技术的旋翼流场模拟
1.4.3旋翼计算声学简介
1.4.4旋翼/机身等多部件的气动干扰简介
1.5旋翼基本参数介绍
参考文献
第2章 旋翼动量理论
2.1引言
2.2垂直飞行时的动量理论
2.2.1垂直上升状态
2.2.2悬停状态
2.2.3垂直下降状态
2.2.4诱导速度普遍规律
2.3前飞时的动量理论
2.3.1平飞状态
2.3.2爬升和下滑状态
2.3.3诱导速度普遍规律
参考文献
第3章 旋翼叶素理论
3.1引言
3.2桨叶翼型
3.2.1桨叶翼型几何参数
3.2.2桨叶翼型空气动力学特性
3.2.3桨叶翼型设计
3.3垂直飞行时的叶素理论
3.3.1旋翼拉力和功率的微分形式
3.3.2旋翼拉力和功率的积分形式
3.3.3旋翼拉力的近似解析式
3.3.4旋翼功率的近似解析式
3.3.5完善系数
3.4基于叶素-环量理论的拉力系数
3.5基于叶素-动量组合理论的拉力系数
3.6前飞时的叶素理论
3.6.1旋翼拉力和功率的积分形式
3.6.2旋翼拉力和功率的近似解析式
3.6.3旋翼功率的一般表达式
参考文献
第4章 旋翼涡流理论
4.1引言
4.2基本概念
4.2.1Kelvin定理
4.2.2Helmholtz定律
4.2.3Biot-Savart定律
4.2.4涡与环量
4.3垂直飞行时的涡流理论
4.3.1儒氏旋翼涡系模型
4.3.2儒氏旋翼诱导速度
4.3.3非儒氏旋翼涡系模型
4.3.4非儒氏旋翼诱导速度
4.4前飞时的涡流理论
4.4.1旋翼涡系模型
4.4.2旋翼诱导速度
4.4.3桨叶附着涡环量的求解
参考文献
第5章 旋翼自由尾流分析技术
5.1引言
5.2涡动力学基础
5.3自由涡系模型
5.3.1旋翼桨叶涡系模型
5.3.2旋翼尾迹模型
5.3.3旋翼桨尖涡模型
5.3.4涡核扩散模型
5.4桨叶附着涡环量求解
5.5远尾迹涡丝控制方程
5.6远尾迹涡丝控制方程的求解
5.6.1远尾迹周期边界条件
5.6.2PIPC松弛迭代法求解过程
5.7自由尾迹/面元法的耦合模型算例
5.7.1求解方法
5.7.2涡/面干扰
5.7.3算例分析
参考文献
第6章 旋翼CFD理论基础知识
6.1引言
6.2适合旋翼的流体力学控制方程组
6.2.1连续性方程
6.2.2动量方程
6.2.3能量方程
6.2.4控制方程的选择形式
6.3控制方程的离散化
6.3.1有限差分法（FDM）
6.3.2有限体积法（FVM）
6.4网格生成简介
6.4.1椭圆网格生成实例
6.4.2多区重叠网格（嵌套网格）简介
6.5结论
参考文献
第7章 旋翼N-S方程SIMPLE数值模拟方法
7.1引言
7.2SIMPLE算法
7.2.1交错网格技术
7.2.2SIMPLE算法基本假设
7.2.3SIMPLE算法基本步骤
7.2.4SIMPLE算法的简单算例
7.3SIMPLER算法简介
7.4代数方程组的求解
7.5前飞旋翼湍流场的数值模拟算例
7.5.1流场控制方程
7.5.2动量源项
7.5.3算例方案描述
7.5.4前飞流场分析
7.5.5前飞性能预测
7.6垂直下降旋翼湍流场的数值模拟算例
7.6.1桨盘压差源项计算
7.6.2垂直下降算例方案描述
7.6.3模型旋翼悬停算例验证
7.6.4垂直下降算例流场分析
7.6.5垂直下降性能预测
7.7斜下降旋翼湍流场的数值模拟算例
7.7.1计算模型及方法
7.7.2旋翼升阻气动特性
7.7.3单片桨叶压力场随周期的变化
7.7.4孤立旋翼流场分析
7.7.5旋翼/机身组合流场分析
参考文献
第8章 旋翼TVD数值模拟方法
8.1引言
8.2TVD格式的概念和性质
8.2.1TVD的概念
8.2.2TVD的性质
8.3TVD格式的构造
8.3.1一阶TVD格式
8.3.2二阶TVD格式
8.3.3高阶TVD格式简介
8.4对一维和多维方程组的推广
8.4.1一维方程组的推广
8.4.2多维方程组的推广
8.5算例：旋翼流场Euler方程Jameson/TVD数值模拟
8.5.1主控方程
8.5.2数值方法
8.5.3结果分析
参考文献
第9章 旋翼绕流N-S方程数值计算方法
9.1引言
9.2Jameson格式
9.2.1标量人工粘性的中心差分方法
9.2.2各向异性的人工粘性
9.2.3矩阵人工粘性模型
9.3TVD格式
9.3.1TVD的概念
9.3.2单调格式、保单调格式和TVD性质的充分条件
9.3.3显式一阶TVD格式举例
9.4一种Jameson/TVD混合格式
9.4.1N-S方程和通量修正法
9.4.2旋翼流场N-S方程Jameson/TVD数值模拟方法
9.5Jameson格式与其他格式
9.5.1积分形式下的旋翼流动控制方程
9.5.2空间离散格式
9.5.3悬停旋翼流动的数值模拟
9.5.4前飞旋翼流动的数值模拟
参考文献
第10章 旋翼洗流和旋翼/机身/发动机耦合流场分析
10.1引言
10.2旋翼洗流分析
10.3旋翼/机身干扰流场
10.3.1"作用盘"假设
10.3.2N-S方程直接模拟
10.4旋翼/机身/发动机耦合流场
10.5旋翼/机身/柱体耦合流场
10.5.1旋翼/机身耦合流场
10.5.2机身/柱体耦合流场
参考文献
第11章 旋翼计算声学基础
11.1引言
11.2Ffowcs Williams-Hawkings方程和Kirchhoff理论
11.2.1Ffowcs Williams-Hawkings方程
11.2.2Kirchhoff理论
11.3两种方法的比较
11.4桨涡干扰噪声的模拟
11.5计算流体力学方法
参考文献
习题与思考题
附录彩图页

前言/序言

　　应用泛函分析前言前言《现代直升机旋翼空气动力学》教材旨在使相关专业高年级本科生或研究生通过学习，掌握直升机旋翼空气动力学的研究方法和工程应用的理论基础；也可供从事直升机空气动力学研究的专业技术人员阅读。全书共分11章。第1章在给出严密的定义之后，主要讨论空气动力学的研究内容和研究工具，从直升机的特点和空气动力学的普遍原理出发，介绍了直升机空气动力学的发展概况。第2章～第4章介绍经典旋翼空气动力学的基本理论，包括旋翼动量理论、叶素理论和涡流理论。在介绍了旋翼动量理论，包括垂直上升、悬停、下降，以及平飞、爬升和下滑等状态的表达式之后，给出了诱导速度的普遍规律。第3章的旋翼叶素理论给出了桨叶翼型空气动力学特性，导出了旋翼的拉力和功率；从工程意义上给出了旋翼完善系数和前飞旋翼功率的一般表达式。第4章从Kelvin定理、Helmholtz定律和Biot-Savart定律出发，介绍了垂直飞行和前飞时的旋翼涡流理论以及环量与诱导速度的求解。第5章论述了旋翼自由尾流分析技术的应用问题，从涡动力学基础出发，建立了旋翼自由涡系模型并介绍了旋翼尾迹和直升机其他部件气动干扰的计算方法。第6章介绍了旋翼CFD的理论基础，总结了旋翼CFD数值模拟的大致步骤。第7章介绍了旋翼N-S方程SIMPLE数值模拟方法的原理和步骤，给出了前飞、垂直下降和斜下降旋翼湍流场与气动特性的数值模拟算例。第8章介绍了高分辨率TVD格式及其在旋翼亚、跨声速条件下的应用。第9章介绍了旋翼绕流N-S方程常用的Jameson格式及其相关的其他格式，给出了悬停和前飞旋翼流场的数值模拟算例。第10章从直升机部件间的干扰出发，介绍了旋翼洗流和旋翼/机身/发动机耦合流场分析方法，讨论了旋翼/机身/柱体耦合流场。第11章介绍了旋翼计算声学基础及其分析方法。本书在编写过程中得到了北京航空航天大学校领导、教务处领导和北京航空航天大学出版社的大力支持；李天院士审定了书稿，并提出了宝贵的修改意见。此外，本书的完成还得益于作者所在课题组的集体智慧，特别是李国知博士、曹栋和赵明博士做了许多有益的工作，在此表示衷心感谢。由于作者水平有限，不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。作者
　　2014年11月



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