斜下降飞行状态的旋翼桨 涡干扰噪声高效计算方法及降噪

将旋翼涡系理论与旋翼噪声计算方法相结合,建立了一个新的适用于桨-涡干扰(Blade-vortex interaction,BVI)噪声简化计算的方法。一方面,为推导桨-涡干扰噪声的解析表达式并简化运算过程,气动计算采用了基于实验的Beddoes修正涡系模型,噪声计算则使用Farassat 1A声学公式的载荷噪声项,并通过紧致源假设,实现了旋翼BVI噪声的解析推导;另一方面,为了分析直升机飞行参数对旋翼桨-涡干扰噪声的影响,将旋翼的飞行姿态与直升机旋翼气动计算模型相结合,建立了受飞行参数影响的BVI噪声声压计算模型。然后,进行了相关的算例计算,并与可得到的实验数据进行了对比,验证了所建立方法的有效性。在此基础上,应用该方法研究了桨-涡干扰状态下飞行参数对桨盘入流、桨-涡垂直间距这两个重要参数的影响,着重计算分析了斜下降飞行时出现强BVI噪声辐射的飞行航迹角和前进比范围,得出了有意义的结论。     

旋翼前后行侧桨-涡干扰噪声辐射特性

基于Beddoes修正尾迹模型,推导了一个新的旋翼桨-涡干扰(Blade-vortex interaction,BVI)噪声源方向性预测和BVI噪声辐射特性分析的模型,为更好地研究桨-涡干扰噪声的参数影响,提供了一套计算方法.该方法由移动的桨尖涡和旋转的桨叶相遇来确定桨-涡干扰的位置,由相交点的桨叶和涡线相对位置得出BVI夹角、轨迹马赫数等重要参数的计算公式.应用所建立的方法,首先针对有相关结果可供对比的BVI源发生位置进行了算例计算,以验证方法的有效性.然后,着重对直升机前飞状态的旋翼BVI噪声的发生进行了预测,深入分析了在旋翼前行侧和后行侧BVI噪声源的方向性和BVI噪声的辐射规律,并研究了前进比等参数对BVI噪声传播方向性的影响.在此基础上,得出了一些新的结论.     

桨尖下反对旋翼BVI噪声特性的抑制分析

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,分析研究了新型下反桨尖对前飞状态旋翼桨/涡干扰(Blade-vortex interaction,BVI)噪声特性的影响。首先,通过求解Navier-Stokes方程获得准确的噪声声源信息,湍流模型采用一方程S-A模型。采用双时间法进行时间推进,为了提高流场的收敛速度,在伪时间方向上使用高效的隐式LU-SGS格式推进,并采用并行算法进行加速。然后,在获得的可靠声源信息基础上,采用基于FW-H方程的Farassat 1A公式求解噪声。对有试验结果的算例进行了对比计算分析,验证了本文噪声预测方法的有效性。在此基础上,针对具有典型BVI噪声特征的前飞斜下降状态,开展了不同下反角度桨尖新型旋翼噪声辐射特性的计算分析,通过噪声辐射球的对比结果表明,选择适当的下反桨尖,可以有效地降低前飞斜下降状态下旋翼BVI噪声,从而达到较好的旋翼噪声抑制效果。     

桨叶气动外形对直升机桨-涡干扰噪声影响研究

针对旋翼桨-涡干扰(Blade-vortex interaction,BVI)现象的复杂特征,建立了一个基于Navier-Stokes方程/自由尾迹模型的耦合欧拉-拉格朗日数值方法,用于干扰过程中脉冲气动载荷的计算。噪声的预测采用基于声学类比法的FW-H方程。应用上述方法以AH-1/OLS旋翼为研究对象,从"设计降噪"角度分析了具有后掠、前掠、尖削和下反桨尖形状旋翼的桨-涡干扰噪声特性。结果表明:目前直升机常采用的桨叶外形(尖削、后掠)对于降低桨-涡干扰噪声是有限的;而采用前掠、下反桨叶的旋翼具有较好的噪声隐身特性。     

悬停旋翼桨尖涡的试验研究

为了详细研究悬停旋翼桨尖涡的形成与发展过程,以及旋翼状态参数与桨尖涡及其尾迹的关系,开展了桨尖涡及其尾迹的测量和研究.在研究中采用了Ф2m旋翼模型试验台、单桨叶(翼型为NACA 0015)旋翼模型和二维PIV测量系统,通过改变转速和总距角的状态组合,对桨尖周围及近尾迹局部区域进行了详细的桨尖涡流场测量.通过研究,基本掌握了用PIV测量旋翼动态流场的技术;利用PIV成功地获取了从桨尖前缘至后缘下游近流场的不同方位角截面粒子流动图像;通过后处理获得了合理有效的结果.测量结果表明,桨尖涡在桨叶表面形成的过程中,其强度逐渐增强;桨尖涡的强度与旋翼的桨尖马赫数和总距等密切相关.     

悬停旋翼桨尖涡吹气控制的数值模拟

开槽桨尖是减弱旋翼桨尖涡强度的一种被动流动控制手段。旋翼桨尖涡由于涡量高度集中在一个很小的区域范围内，数值计算容易受到网格分布和数值耗散的影响，导致涡量耗散过快，不利于对旋翼尾迹涡开展研究。针对这一问题，文中采用重叠网格局部加密和湍流模型旋转修正等方法，获得了悬停旋翼的高分辨率桨尖涡流场。采用该方法，对比研究Caradonna-Tung旋翼基本外形和开槽桨尖外形在悬停状态下的空间旋涡流场，从涡量分布、旋涡特征速度等方面研究了开槽桨尖控制桨尖涡强度的流动机理，比较了4种不同开槽方式对控制效果的影响，以及对旋翼悬停性能的影响。结果表明，开槽桨尖能够有效减弱桨尖涡的强度，但同时会对旋翼拉力和扭矩产生一定的负面影响。     

直升机旋翼桨-涡干扰脉冲噪声传播特性研究

建立了一个基于Navier-Stokes方程和自由尾迹模型的高效耦合CFD方法,用于旋翼桨-涡干扰气动和噪声特性的研究。该方法将旋翼流场计算域分为两部分:在桨叶附近区域,通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场中旋翼桨尖涡的形成;在尾迹输运区,采用自由尾迹模型表示尾迹涡的运动及其影响。噪声的计算采用基于声学类比法的FW-H方程。应用上述方法对AH-1/OLS旋翼桨-涡干扰状态进行了计算,通过对比脉冲噪声的声压时间历程,验证了方法的有效性。在此基础上,对桨-涡干扰噪声的空间传播特性进行了研究。计算结果表明:下降飞行状态的旋翼,在桨盘面会产生多处桨-涡干扰现象,桨叶片数增多,干扰也会明显增加;桨-涡干扰噪声具有较强的方向性,指向旋翼前行侧的前下方,其噪声声压级的衰减速率与距离成线性反比关系。     

应用PIV测量缩比共轴双旋翼流场特性的研究

采用粒子图像测速(Particle image velocimetry,PIV)技术对一缩比共轴双旋翼模型在悬停和以不同前进比前飞时的流场进行水洞实验。测量得到了旋翼流场的瞬时涡量的速度分布,桨尖涡的脱落轨迹,悬停时的尾迹边界和前飞时的尾迹边界等流场特性参数分布。研究了不同状态下共轴双旋翼流场的气动干扰特性。在悬停时,下旋翼的桨尖外侧有上洗流现象,而下旋翼则没有。与共轴双旋翼性能试验数据比较得出,在悬停时共轴双旋翼形式存在有利的相互气动干扰现象。实验还得出了悬停和不同前进比前飞时桨尖涡的脱落轨迹。     

旋翼悬停状态桨尖涡测量方法研究

为了研究旋翼桨尖涡涡核结构，采用粒子图像测速（PIV）技术对4m直径桨尖开孔旋翼在悬停状态的桨尖涡流场进行了详细测量，获得了旋翼145°方位角处桨尖涡附近流场的速度分布，以及桨尖涡的涡核半径、旋转速度和涡量分布等试验数据，并研究了PIV分析中选取不同审查窗尺寸对桨尖涡结构测量结果的影响。为了避免桨尖涡位置不稳定的影响，提出了基于桨尖涡流场速度特征的条件平均法，并与简单平均法和基于涡量峰值的条件平均法进行了对比，验证了对桨尖涡流场进行条件平均的必要性，以及所提出的条件平均法的有效性。     

共轴刚性旋翼桨毂中间轴涡流发生器设计与减阻研究

为最大程度地降低共轴刚性旋翼桨毂的气动阻力，在其减阻设计方案中间轴处加装翼型截面的涡流分割器。首先设计了不同展长、弦长、安装位置和数量的涡流发生器加装方案，之后采用求解N-S方程的方法计算和分析了加装涡流发生器之后的桨毂阻力特性、表面压力和空间流动情况等。结果表明加装涡流发生器能使桨毂减阻方案的阻力降低约5%，弦长增大、涡流发生器位置向下桨毂方向移动有利于进一步降低阻力。研究结果可为涡流发生器的应用和桨毂减阻设计提供一定的参考。     

前缘修形三角翼翼面背风区涡系研究

本文对一组前缘修形三角翼翼面背风区流场进行了实验研究,给出了几种修形三角翼上翼面处空间涡系涡迹及表面流谱,研究了各涡之间的相互干扰。结果表明:使用前缘修形可以在一定程度上避免基本三角翼大迎角时产生的翼面主涡破碎;修形三角翼翼面背风区存在两条较为稳定的涡,两涡间有利干扰将改善翼面处流场。     

微型涡流发生器控制超临界翼型边界层分离实验研究

在低速风洞中研究了微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制。根据超临界翼型边界层分离特性，提出了涡流发生器的流动机理。研究了梯形涡流发生器不同高度和弦向位置对边界层分离控制效果的影响。研究表明，微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离的控制主要起减阻作用；适宜采用微型涡流发生器对超临界翼型边界层分离进行控制，其最佳位置应在分离线前2～5日涡流发生器高度之间。     

单支杆腹撑支架干扰测力及PIV试验研究

针对FL–51低速风洞单支杆腹撑,为研究和优化其支架干扰特性,在风速为70和50 m/s时,开展了支杆预置角11°时（支杆与模型机身轴线的夹角为79°）的24棱、圆截面和截断翼型截面的三维支杆在飞机巡航与增升构型下的纵、横向两步法支架干扰试验。在预置角11°单支杆腹撑支架干扰特性研究基础上,进一步开展预置角为30°、60°（支杆与模型机身轴线的夹角分别为60°和30°）时24棱、圆截面和截断翼型截面支杆的支架干扰特性风洞试验研究。为进一步分析不同尺寸、截面形状的二维支杆绕流与尾流特性,开展了风洞PIV试验。研究结果表明:翼型支杆纵向支架干扰最优,但在横向恶化;随着最大厚度的增大,翼型支杆的尾涡具有较好的一致性,24棱和圆截面支杆的尾涡则随直径变化存在一定的变化;对于仅进行纵向试验或以纵向试验为重点的风洞试验,支杆宜选择翼型截面或适当截断的翼型截面。     

旋翼平行桨-涡干扰噪声的参数影响

建立了一个新的基于Euler和FW-H方程的旋翼平行桨-涡干扰噪声的计算方法.为减小由于空间离散格式精度和网格密度引起的涡数值耗散,使用了预定涡方法.桨-涡干扰噪声的计算则采用基于声学类比法的FW-H方程.以Kitaplioglu的平行桨-涡干扰试验模型为算例,验证了方法的有效性.在此基础上,分析了干扰距离、涡强、桨尖马赫数和涡旋转方向对桨-涡干扰噪声的影响,并得出结论:增大干扰距离可有效地降低桨-涡干扰噪声,当干扰距离大于数倍弦长时,噪声幅值与干扰距离的平方成反比;涡强仅改变噪声大小,对噪声的脉冲特性无影响;而桨尖马赫数对噪声幅值和方向都有影响,且噪声幅值与马赫数的7次方成正比.     

80°三角翼流动显示和涡频测量试验研究

在中国航空工业空气动力研究院FL-5低速风洞进行了80°三角翼流动显示和涡频测量试验研究.介绍了能产生扫描式6片光的旋转镜平行多片光装置;介绍了能产生连续、均匀的示踪粒子且粒子浓度可调的气压式粒子发生器;介绍了测量涡跳动频率的光学方法和用应变天平测量模型抖动频率的方法,并对大迎角和大滚转角时涡跳动频率和模型抖动频率进行了测量,结果表明:a=42°、φ=42°时模型抖动频率(7.2Hz)和涡跳动频率(7.75Hz)接近,模型的抖动可能是由前缘涡的非定常跳动引起的;介绍了流动图像处理的相位平均技术,该技术可用于动态流动显示和测量,并可对动态迟滞效应进行定量分析;介绍了流动显示图像的三维重建技术,该技术可用于显示空间涡的结构并分析其机理.     

基于声学风洞的麦克风阵列测试技术应用研究

根据声学风洞气动噪声试验研究的需求,介绍了一种适用于声学风洞试验的麦克风阵列测试技术,并针对声学风洞的特点,利用风洞射流剪切层修正方法,提高了麦克风阵列识别声源的精准度.通过数值仿真和在0.55m×0.4m声学风洞的试验研究,验证了麦克风阵列测试系统和麦克风阵列数据处理方法识别声源的能力.研究结果表明所采用的麦克风阵列测试技术可用于声学风洞试验.最后还采用36通道的麦克风阵列在0.55m×0.4m声学风洞开展了NACA23018翼型气动噪声试验研究,试验明显地观察到翼型后缘噪声,获得不同迎角下翼型的噪声特性.