摘要
近年来，随着我国航天事业的飞速发展，火星成为了我国下一个深空探测的目标，然而传统的火星无人车难以满足对火星深度探测的需求，因此火星无人机的构想应运而生。火星上低密度低压强的环境导致飞行器难以飞行，并且火星上常有大风并伴有高浓度的沙尘暴，会对飞行器的气动性能产生不利的影响。为了研究火星环境下含沙气流对飞行器气动性能的影响机理，本文采用数值模拟方法对剖面为NACA0012翼型的三维固定翼和等弦长无扭转旋翼进行研究。固定翼流动工况为火星环境下的亚声速和跨声速流动，气固两相流动采用DPM（DiscretePhaseModel）模型对颗粒和流体之间进行双向耦合计算。主要研究内容和结论如下： （1）在三维固定翼亚声速翼面绕流流场中，颗粒的加入使翼段升力降低，阻力增加。这是由于颗粒经过翼段表面时，与翼段上下表面流体进行剧烈的动量交换导致上表面流体压力增加，下表面流体压力降低。颗粒冲刷翼段表面边界层，使其分离、转捩延后，再附提前，这些反过来又影响翼段的气动性能。颗粒粒径越小、浓度越大，对翼段气动性能的影响越大。 （2）在三维固定翼跨声速翼面绕流流场中，颗粒的加入使翼段升力、阻力均增加。这是由于在跨声速流动工况下时，翼段上下表面激波界面前均为超声速流动，颗粒经过该区域时与流体发生动量交换导致上下表面流体压力均增加，颗粒对翼段下表面的碰撞更剧烈导致上下表面压差增加，升力增加。颗粒粒径越小、浓度越大，翼段升力、阻力增加的幅度越大。 （3）在旋翼流场中，采用DPM中的离散元模型（DiscreteElementMethod，DEM）计算颗粒与颗粒、颗粒与流体、颗粒与桨叶之间的相互作用。研究发现，颗粒有三种主要的运动方式对桨叶的气动性能产生影响：旋翼流场涡环的存在导致颗粒被不断地卷吸至桨盘上方再进入桨盘，沿轴向对桨叶有冲刷作用；高速旋转的桨叶与颗粒之间发生切向的碰撞作用；由于离心力的作用，颗粒径向运动使桨尖涡的强度减弱，影响桨叶表面压差。 本研究将低雷诺数和含沙两种流动工况进行结合以模拟火星环境，研究成果具有较强的工程价值，可为火星无人机的研制提供一种新思路和理论支撑。
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