● 摘要
尽管航空螺旋桨已经经历了近百年的发展历史，提高螺旋桨效率的目标从未改变。最近一段时间，伴随着国际油价居高不下的今天，低动态高空间飞艇再次回到人们的视线，在军民用领域广阔的使用前景为人们所重视。但是平流层飞艇一般工作在10~30km处，而平流层空气因为密度小，运动粘性系数大加上平流层飞艇本身的低动态特性，决定了平流层飞艇低雷诺数的工作状况。为了达到设计适用于平流层飞艇的高效率螺旋桨，本文从雷诺数和几何外形两个角度出发，来进行了大量的理论分析和风洞实验验证。由于螺旋桨模型对于网格数量和计算资源两部分都有巨大的要求，要追求准确的结果则必须使用千万量级的网格，尽管如此也只能仿真简单构型的数值模拟，而针对螺旋桨滑溜的计算效果不尽人意。因此本文选择了进行地面风洞实验来研究雷诺数和几何外形对螺旋桨气动特性的影响。我们自主设计了适用于高空飞艇螺旋桨的5副桨叶，在北航沙河校区D5低湍流度风洞进行了大量实验，探索雷诺数和几何外形对螺旋桨气动特性的影响并且得到了较好的结果。通过对实验数据的整理和分析，得到了以下结论：
（1）从实验数据中观测到明显的雷诺数现象，拉力和功率图线出现了明显的分层现象。在低雷诺数下，螺旋桨的气动性能下降，效率降低。由实验结果观察到本文中的临界雷诺数小于，而当雷诺数大于此值，螺旋桨不再受雷诺数效应影响。
（2）当螺旋桨不再受雷诺数影响时，拉力系数与扭矩系数，随着桨叶宽度的增大，且近似成线性关系。而不同弦长分布的螺旋桨的效率-前进比曲线交于同一点J=0.8处，当前进比小于此值时，桨尖弦长越小，螺旋桨效率越高；当前进比大于0.8时，趋势反转。
通过分离泡理论和螺旋桨叶素理论分别对上述实验现象进行了准确的分析，得到了导致实验现象产生的原因，从低雷诺数和几何外形两方面对螺旋桨进行了分析和比较。
本实验结果得到了其他文献和国外飞艇螺旋桨实际外形的有力佐证，扩充了低雷诺数螺旋桨的实验数据，为平流层飞艇螺旋桨设计提供了有效的参考和指导。