飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

声学引导风洞高效低噪声风扇设计

运用任意涡风扇设计方法,进行声学引导风洞高效低噪声风扇设计。在设计过程中,通过调整叶片径向旋转系数分布优化叶片出口速度分布,通过合理匹配转子、定子数目及定子后掠角度来改善动静叶的干涉噪声。气动及声学性能试验表明,高效低噪声风扇设计点气动效率达到83.9%,相比引导风洞原风扇效率的73%有了明显的提高;高效低噪声风扇入口及出口噪声分别比原风扇入口及出口噪声低3dB（A）和2dB（A）。试验结果成功验证了任意涡设计方法在风扇气动及声学性能上的优越性。     

涵道螺旋桨动力装置最优设计新方法的研究

为了探索涵道螺旋桨动力装置工程设计新方法，在自由螺旋桨设计的基础上，根据Theodorsen的片条理论，涵道后缘的库塔条件以及边界页微元涡丝的诱导方程，构筑涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型，然后用该模型代替Prandtl的动量损失函数及环量函数，使自由螺旋桨的最小能量损失的设计方法推广到涵道螺旋桨基于Betz条件的最优设计。再根据给定的设计要求，即可计算出经过最优设计的涵道螺旋桨的基本尺寸以及涵道的基本尺寸。经过研究证明，在新方法中的涡强度分布计算模型在理论上是正确的，设计模型的风洞实验与理论计算数据基本吻合，证明了该设计方法的可行性。     

一种关于具有边缘脱体涡的细长机翼的气动力数值方法

本文给出了一种计及边缘脱体涡影响的小展弦比机翼的气动力数值计算方法。方法中用等效集中涡来模拟脱体涡的影响。使用涡格法对各种不同展弦比的三角翼、矩形翼的计算结果表明,本方法所计算的压力分布、纵向气动特性,与实验相比吻合较好;与其它计算方法相比,计算简单,收敛稳定,且不依赖于初值的选取。     

涵道螺旋桨桨叶涡强度分布计算

本文依据开式螺旋桨理论 ,涵道后缘的库塔条件以及微元涡丝的诱导方程 ,建立了涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型并进行了数值计算。结果显示 ,涵道螺旋桨桨叶涡强度在桨尖处达到最大     

地效翼船用涵道螺旋桨的设计试验

以涵道螺旋桨取代开式螺旋桨,既满足了小型地效翼船起飞状态的推力需求,也在一定程度上弥补了开式螺旋桨叶尖打水的缺陷。本文建立了涵道螺旋桨桨叶的涡强度分布模型,以涵道螺旋桨的涡强度分布函数代替描述开式螺旋桨涡强度分布的Prandtl动量损失函数,将最小能量损失的设计方法推广到涵道螺旋桨的设计,从而建立了一套完整的涵道螺旋桨的工程设计方法。设计模型的风洞实验结果同理论计算基本吻合,证明了设计方法的可行性。      

面向电动飞机应用的不同叶尖螺旋桨噪声特性

为了合理地设计与选取电动飞机螺旋桨,最大限度降低电动飞机整体噪声,以某型电动飞机平直、后掠及尖型桨尖形状螺旋桨为研究对象,通过大涡模拟模型计算分析了3种螺旋桨在巡航和爬升两个典型状态下的一阶频率声压值,计算结果表明平直桨尖螺旋桨噪声最低,尖形桨尖螺旋桨最高。为了验证计算结果,制造了缩比模型并在空气动力研究院的FL-9风洞中进行了试验,结果表明计算结果与风洞试验结果吻合度较高,验证了大涡模拟在螺旋桨噪声计算中具有一定的工程应用价值,计算和试验结果都表明平直桨尖有助于进一步发挥电动飞机安静环保的优势。     

飞机起落架气动噪声特性仿真与试验

 对某型飞机前起落架的气动噪声特性进行了数值仿真分析和声学风洞试验研究。在典型飞机着陆速度下,采用分离涡(DES)方法模拟起落架周围非定常湍流流场,通过涡声理论计算声源的强度和位置,并利用FW-H(Ffowcs-Williams/Hawkings)方程积分外推法求解出不同部件及其组合件产生的声场,分析其噪声的产生机制、频谱特性及远场指向特性,同时评估各部件对总噪声的贡献量。在声学风洞中对轮胎和轮叉组合件进行气动声学试验,借助麦克风测量获得了噪声的频谱特性。基于部件固体表面积分计算的仿真结果与试验结果在声学远场条件下吻合较好。仿真结果表明:起落架气动噪声是钝体绕流噪声和空腔噪声的叠加,呈现宽频噪声的特性。强度最大的声源主要分布在起落架各部件的固体表面;轮胎噪声对总噪声的贡献最大,其次是轮叉噪声,支柱噪声对总噪声贡献最小。各部件噪声和总噪声均具有偶极子声源的辐射特性。空间可穿透积分面计算的声压级结果比固体表面计算的声压级结果大5 dB左右。该研究结果为低噪声起落架设计提供了一定的参考。     

旋转桨叶表面压力反演试验

为了验证旋转桨叶表面压力的反演计算方法，搭建了旋转桨叶表面压力反演试验平台，对一套二叶螺旋桨的表面压力开展了反演试验。通过传声器阵列测量螺旋桨的远场噪声，利用Kulite压力传感器和离线式采集器测量桨叶表面的静压，并与计算结果进行对比。结果表明：在所研究的工况范围内，计算结果与试验结果吻合较好，趋势基本一致；其中两个测点的试验结果与计算结果误差在1%以内，精度很高；另两个测点的对比差值较大，主要是压力传感器安装工艺误差所导致的。     

耦合多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼设计

以某型手抛式太阳能无人机(UAV)模型为对象进行考虑多螺旋桨滑流影响的低雷诺数机翼平面形状设计研究。首先,基于升力面理论发展了准定常求解多螺旋桨/机翼相互气动干扰问题的涡格法(VLM)程序,并采用建立参考翼型气动特性数据库的形式发展了相关低雷诺数修正(LRC)方法;然后,通过对翼型、低雷诺数机翼及单螺旋桨/机翼算例的数值模拟及与相关实验结果的对比,验证了本文数值方法具备模拟低雷诺数复杂流动问题的可靠性及准确性;最后,对某型手抛式太阳能无人机简化拉力多螺旋桨/机翼模型进行了直接优化设计及反设计,并通过具有较高精度的CFD准定常求解技术对优化结果进行了验证。结果表明:以CFD方法计算结果为参考,本文涡格法程序及低雷诺数修正方法能够准确高效地计算相关低雷诺数复杂流动问题;传统未考虑多螺旋桨滑流影响的设计机翼在实际螺旋桨工作状态下将偏离设计点,机翼气动特性得不到提高;考虑螺旋桨滑流影响的优化设计方法能够有效改善机翼阻力特性,相对应地,在设计状态下优化机翼总阻力能够降低19.52counts。     

桨叶表面压力分布和螺桨性能的升力面算法

本文提供了一种根据升力面理论计算螺旋桨桨叶表面压力分布和螺旋桨性能的数值方法。这种方法适用于具有任意桨叶数、任意形状的螺旋桨。对两算例的计算结果和实验结果作了比较 ,符合很好     

一种可任意给定环量分布的螺旋桨设计方法

提出了一种螺旋桨快速设计方法,该方法可以根据任意给定的环量分布及工况快速设计出高效率螺旋桨的几何外形（桨叶弦长、扭转角分布）。为对比有叶素阻力与无叶素阻力的最佳环量分布形式,首先对计入和不计叶素阻力下的最佳环量分布表达式进行了推导,分析了各参数对最佳环量分布形状的影响。然后基于片条理论进行了逆向推导,建立了以环量分布为输入的螺旋桨快速设计方法,并分析了螺旋桨理想效率的影响因素,发现理想效率的水平与来流动压、桨盘载荷有关。最后进行了螺旋桨设计实践,对比分析了不同环量分布下螺旋桨性能的差异。结果表明,所提出的设计方法能够根据给定环量分布进行精确设计,相对误差不超过7%,设计性能与参考文献中设计结果的差别不超过2%。      

空气螺旋桨应力载荷飞行试验研究

介绍了某型螺旋桨适航审定试验,包括装机地面试验和飞行试验。试验中测试了某型螺旋桨全使用状态下的应力载荷及其分布,获得了桨叶表面最大静应力与最大动应力,确定了实际应力分布与最大应力产生部位,为螺旋桨桨叶的强度设计与结构优化提供了重要依据。     

一种高效率螺旋桨设计方法

提出了一种高效率螺旋桨设计方法,该方法根据给定的飞行速度、螺旋桨转速、拉力、螺旋桨直径、桨叶数、翼型,能够计算出最大效率螺旋桨的几何特性,包括:桨叶的弦长分布、桨距角分布、效率、拉力系数、扭矩系数、功率系数.分别按爬升状态和巡航状态的工作参数设计了某型飞机的螺旋桨,得到了桨距角和弦长沿径向的分布.对螺旋桨的缩比模型(直径为0.84m)进行了风洞试验,风洞试验结果表明:螺旋桨在巡航状态的效率是83.02%,爬升状态的效率是79.13%.      

高空长航时无人机螺旋桨滑流效应影响研究

推导和分析了以多参考系模型作为螺旋桨计算模型的控制方程。应用数值模拟方法开展高空长航时无人机滑流效应影响的三维数值模拟研究。研究发现,多参考系模型的流动现象能够符合真实螺旋桨的前后流动特征,并且可以较好地模拟螺旋桨滑流对飞机气动性能的干扰。螺旋桨滑流效应使V尾表面流线发生偏转和收缩加速,V尾表面的压力分布明显改变。起飞状态螺旋桨滑流效应对全机气动特性影响最强,爬升状态影响减弱,巡航状态影响最小。滑流效应影响随着推力增加而增大,相同推力不同桨距条件下滑流效应影响基本相同。起飞状态无人机尾部受到螺旋桨大推力滑流效应影响压差阻力急剧增加,导致全机气动性能下降。     

函道螺旋桨设计方法研究

由于函道和螺旋桨互相干扰的复杂性,函道螺旋桨的设计需要较长时间。本文提出了一种在函道螺旋桨初步设计阶段确定桨叶外形的简便方法。首先,根据动量理论计算通过桨盘的流量,再由工程经验估算桨盘前后的压差增量,然后运用叶素理论设计桨叶的几何形状。为了验证该方法的可行性,加工了桨叶和函道,并进行风洞实验。结果表明,设计值与实验测量值吻合较好,说明该方法实用、有效,采用该方法可以加快函道螺旋桨设计过程。     

叶片振动应力的叶根振动监测法及实现技术

提出一种航空螺旋桨叶片振动应力监测方法—叶根振动监测法,通过监测螺旋桨振动来获得叶根振动激励,建立叶片振动计算传递矩阵模型,并由叶根激励振动计算叶片的振动响应和振动应力,进而实现对叶片振动应力的监测.叶根振动可以通过直接测量或由螺旋桨转子支承机匣监测振动换算获得.最后,通过对比桨叶振动应力的计算结果与飞行试验实测结果验证该方法.结果表明,叶根振动监测法简便、易行,可以进一步应用.      

螺旋桨滑流与机翼气动干扰数值模拟研究

分别采用非定常方法和激励盘理论研究螺旋桨滑流对机翼的干扰作用,并对计算结果进行对比分析。非定常方法基于动态面搭接结构化网格,运用有限体积法求解非定常RANS方程。对于激励盘理论,首先采用点对点结构化网格,随单独螺旋桨旋转的方式进行非定常模拟得到螺旋桨桨叶压力分布,然后将桨叶压强分布转化为激励盘载荷分布,最后将载荷分布作为边界条件对干扰流场进行定常模拟。数值结果表明:除了在较大来流攻角时有所差异,两种方式得到的机翼气动力吻合良好;非定常方法可以得到螺旋桨与机翼的瞬时干扰流场,而激励盘理论则可以大大缩短数值模拟的时间并降低计算要求。     

端板对叶梢负载桨空化性能影响数值分析

为了探究端板对尾流收缩叶梢负载（CLT）桨空化性能的影响,本文基于Star-ccm+软件对CLT(Contracted and Loaded Tip)桨P1727的端板变参数模型进行了空化计算,计算采用DDES湍流模型和Schnerr-Sauer 空化模型,通过对E779A标准模型桨进行计算,验证了该方法的有效性。研究表明：桨叶表面空化区域与低压区域基本一致,空化区域的范围与推力损失程度呈正相关变化趋势;在端板有效抑制梢部绕流的情况下,端板长度和宽度对CLT桨的敞水性能和空化特性影响微弱;端板倾角对敞水性能和空化特性影响较大,倾角越大,推力和扭矩越大,空化发生时推力衰减程度越大。     

一种耦合CFD修正的螺旋桨快速设计方法

基于叶素动量理论及涡流理论的螺旋桨快速设计方法，由于设计采用的叶素气动力与真实情况存在差异，设计的螺旋桨存在拉力偏差，且不能保证较高的效率。为解决此问题，采用螺旋桨数值模拟的结果对设计进行修正。假设桨叶叶素最大升阻比对应的气动力沿径向相同，可通过数值模拟结果反解该气动力，再根据所得气动力进行螺旋桨的重新设计，建立耦合CFD修正的螺旋桨快速设计方法。结果表明，对于太阳能无人机小型螺旋桨的设计，本文设计方法一方面能够较好地满足拉力要求，另一方面相比于传统设计方法螺旋桨效率可提高2.75%。在采用代理优化的方法对螺旋桨翼型进行优化后，相比于传统设计方法螺旋桨效率进一步提高了3.95%。且该方法只需进行少量的CFD计算即可，相比于直接采用数值模拟优化螺旋桨的弦长及扭转角分布，设计周期更短。