改进型CLOR桨尖旋翼悬停状态气动噪声特性试验与预估分析

结合试验及数值模拟方法对具有改进型CLOR(CLOR-Ⅱ)桨尖模型旋翼悬停状态气动噪声特性进行研究.在CLOR桨尖旋翼基础上,兼顾旋翼噪声特性和气动性能,对旋翼气动外形进行改进.为在获得高气动性能(大拉力)的同时限制旋翼气动噪声的过快增长,采用曲线前后掠组合、尖削及多种翼型分段配置等设计方法,以抑制跨声速流范围,达到降低气动噪声的目的.作为参考验证,文中还同时进行了相同实度的矩形桨叶、常规后掠新型桨尖的旋翼气动噪声特性的测量试验.考虑到传播距离和方向角(与桨盘平面的夹角)等因素对噪声辐射特性的影响,试验中对不同观测点的噪声进行了测量.同时为反映桨尖马赫数(压缩性)对旋翼噪声特性的影响,还测量了多种转速下的旋翼噪声特性.为充分分析新型桨尖旋翼的噪声特性,本文采用了基于CFD/Kirchhoff方法的旋翼噪声分析方法对试验中较难开展的高桨尖马赫数状态进行预估分析,分别给出了上述不同桨尖旋翼表面等马赫线、近场声压时间历程等跨声速流场细节.通过试验与数值分析,得出了关于CLOR-II型桨尖旋翼气动噪声特性的影响规律,与参考旋翼相比验证了该新型桨尖旋翼在提高气动性能的同时具有良好的噪声特性.     

旋翼桨尖形状对噪声影响量级的研究

在求解直升机旋翼流场的基础上,预测了旋翼悬停状态下的高速冲击远场噪声,并且针对不同桨尖形状所引起的气动噪声量级作了对比计算,分析了噪声产生机理,并提出了有利于降噪的方法,体现出旋翼CFD技术与Kirchhoff方法相结合的良好应用前景。     

新型桨尖旋翼悬停气动性能试验及数值研究

通过旋翼台试验和数值模拟方法对具有China Laboratory of Rotorcraft（CLOR）桨尖旋翼的悬停气动性能进行研究。为进行对比研究,共设计完成3副模型旋翼,分别为参考的矩形桨叶、常后掠桨尖的桨叶以及具有CLOR桨尖气动外形的桨叶。在模型旋翼台上进行这3副模型旋翼在不同转速、不同桨叶安装角条件下的旋翼拉力和扭矩测量;数值计算是采用一个基于Narier-Stokes方程／自由尾迹分析／全位势方程的旋翼流场求解的混合计算流体力学（CFD）方法进行的,计算结果与试验结果显示出较好的一致性。在此基础上,数值模拟了在旋翼试验台上很难开展的高速旋转试验状态。最后,根据试验和数值结果,对比分析具有CLOR新型桨尖旋翼与矩形桨尖以及常后掠桨尖旋翼的悬停气动性能,得出关于非常规气动外形桨尖对旋翼气动特性的影响机理,初步体现了CLOR桨尖旋翼具有良好的悬停性能。     

低HSI噪声旋翼桨尖外形优化设计方法

建立了一套基于计算流体力学(CFD)/FW-H_pds方程(Ffowcs Williams-Hawkings equations with penetrable data surface)的气动噪声预估技术和组合优化算法的低噪声旋翼桨尖平面外形设计方法。首先,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的网格采用嵌套网格方法生成。在优化过程中,桨叶网格生成采用提出的高效参数化的网格自动生成方法。在建立的CFD方法求解基础上,采用基于可穿透旋转积分面的鲁棒性较好的FW-H_pds方程来求解旋翼高速脉冲(HSI)噪声。然后,以降低旋翼HSI噪声为目标,以旋翼悬停气动性能为约束,提出具备前掠-后掠-尖削等组合特征的桨尖外形方案并进行优化分析。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法耦合到遗传算法过程中,建立了一种高效的组合优化算法。在当前的计算状态下,优化后的桨尖外形的负压峰值相比于矩形桨叶降低了58.4%,优化后的桨叶有效地减弱了旋翼桨尖区域的跨声速"离域化"现象,因此可以降低旋翼HSI噪声特性,同时可以减弱旋翼桨尖涡强度达30%,旋翼悬停性能提高了2%~3%。     

旋翼翼型-桨尖涡干扰的数值模拟

采用Kirchhoff方法计算NACA0012翼型的远场气动噪声,Kirchhoff面为包围整个翼型的一层网格。首先采用欧拉方程计算程序求解得到翼型的Kirchhoff面上在桨尖涡干扰下的近场气动流场解,再根据Kirchhoff方法求解远场声压。从而体现出在计算桨涡干扰噪声时,旋翼CFD技术与Kirchhoff方法相结合的良好效果。      

基于CFD/CSD耦合方法的新型桨尖旋翼气动弹性载荷计算

为提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,在刚性旋翼计算流体力学(CFD)方法中引入计算结构动力学(CSD)方法,建立了一套适合于新型桨尖旋翼气动弹性载荷分析的CFD/CSD耦合方法。旋翼流场分析采用NavierStokes/Euler方程作为控制方程,围绕旋翼生成运动嵌套网格。在流场求解中,采用双时间法推进,通量计算采用Jameson中心格式,并采用B-L(Baldwin-Lomax)湍流模型。基于Hamilton变分原理和中等变形梁理论开展桨叶弹性运动变形分析,并发展了一套具有任意转角梁单元的新方法以提高新型桨尖旋翼的动力学分析精度。采用基于代数变换方法的网格变形策略,建立了一套CFD/CSD松耦合方法,桨叶运动变形和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。首先分别对CSD和CFD模块进行了验证,然后计算了UH-60A旋翼在高速前飞状态下的气动弹性载荷,并与试验值进行了对比,最后重点对旋翼桨尖形状进行了参数分析。计算结果表明,相比于升力线理论和刚性旋翼CFD方法,CFD/CSD耦合方法可以显著提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,并能更准确地反映新型桨尖旋翼的气动弹性耦合效应;同时采用后掠桨尖在桨叶前行侧30°~90°方位角范围可以显著降低激波强度,有利于改善旋翼的气动特性。     

新型桨尖抑制旋翼跨声速特性的影响分析

为研究不同形式的新型桨尖在抑制旋翼跨声速特性方面的作用,开展了多种桨尖对旋翼局部流动及气动特性影响的数值分析研究.发展了基于高效嵌套网格方法的旋翼流场高精度CFD求解方法.在此基础上,详细分析了桨尖外形对旋翼桨叶跨声速区域激波强度、激波诱导气流分离、桨尖涡尾迹及气动性能的影响.数值结果表明:桨尖的后掠和上反在缓解旋翼跨声速特性方面的作用相对较小;桨尖前掠和下反能更有效地减少桨尖外端跨声速区域,降低该位置激波强度并缓解激波-附面层干扰诱导的气流分离;后掠桨尖在减小旋翼反扭矩方面的整体效果良好,直线前掠桨尖在大桨盘拉力状态能够更有效降低旋翼扭矩(直线前掠30°时,扭矩降低达12.3%),桨尖下反可以有效抑制桨尖涡强度(抛物下反30°时,桨尖涡强度降低50%),并加快桨尖涡尾迹的耗散.      

具有特型桨尖旋翼悬停状态气动噪声的初步试验研究

开展悬停状态下的具有CLOR桨尖旋翼气动噪声试验研究.为进行噪声特性对比,共设计完成三副模型旋翼,分别为参考的矩形桨叶、常后掠桨尖的桨叶以及具有CLOR桨尖气动外形的桨叶.在外场环境下,进行这三副模型旋翼在不同转速、不同桨叶安装角条件下及不同观测点上的旋翼气动噪声测量实验,测量包括声压级大小、声压时间历程及声压级频谱等.根据试验结果,对比分析具有CLOR特型桨尖旋翼与矩形桨尖以及常后掠桨尖旋翼的悬停气动噪声特性,并借助于CFD方法,以模拟桨叶上的气动载荷分布特性,得出关于非常规气动外形桨尖对旋翼气动噪声特性的影响规律,并初步体现了CLOR桨尖旋翼具有良好的噪声特性.     

悬停状态倾转旋翼噪声试验及数值计算

结合消声室试验和数值计算研究了悬停状态倾转旋翼气动噪声特性。消声室试验采用孤立倾转旋翼模型,测试了不同总距角和桨尖马赫数状态的气动噪声数据。数值计算基于CFD(computational fluid dynamic)结合FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)声学方程的方法,采用试验数据验证了计算模型的可靠性。分析了倾转旋翼的噪声传播特点以及拉力系数和桨尖马赫数对噪声总声压级的影响,并对比了孤立旋翼和双旋翼状态的气动噪声特性。结果表明:倾转旋翼噪声随着拉力系数和桨尖马赫数的增加均有所增加,维持旋翼拉力不变时降低桨尖马赫数虽然使得拉力系数增加,旋翼噪声水平仍然降低;倾转双旋翼噪声相对纵向平面对称分布,在多个方位角区域存在着局部最大值,这和双旋翼噪声传播时的相互叠加以及双旋翼间气动干扰相关。      

悬停状态共轴刚性双旋翼非定常流动干扰机理

基于运动嵌套网格方法,建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼非定常干扰流场分析的计算流体力学(CFD)方法。首先,基于高效的运动嵌套网格技术,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型,时间推进采用双时间方法。在CFD方法的验证基础之上,对干扰过程中的桨尖涡涡核位置及强度演变规律进行了细致分析,揭示了共轴双旋翼非定常干扰流场中上、下旋翼桨尖涡与双旋翼桨叶之间的贴近干扰、碰撞现象,以及上、下旋翼桨尖涡之间的相互干扰机理。然后,进一步研究了不同总距角下的共轴旋翼系统中上、下旋翼的非定常气动特性以及影响规律。计算结果表明:上旋翼桨叶的桨尖涡会直接与下旋翼桨叶发生碰撞,导致下旋翼桨叶拉力损失;上旋翼桨叶的桨尖涡和下旋翼桨叶的桨尖涡相互干扰,改变了桨尖涡的强度和轨迹;上、下旋翼桨叶相互靠近时,上、下旋翼桨叶的拉力均会上升,之后相互远离时上、下旋翼桨叶拉力均会先下降再上升。     

基于IBC方法的旋翼BVI噪声主动控制机理

为揭示单片桨叶控制(IBC)主动控制技术抑制旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声的降噪机理,建立了一套基于CFD/CSD/FW-H_pds方程的综合噪声分析方法。旋翼桨-涡干扰噪声与旋翼桨叶载荷特性、气动变形以及旋翼桨尖涡结构等密切相关,为有效模拟旋翼桨叶的载荷特性及桨尖涡结构,将Navier-Stokes方程作为前飞流场的主控方程,空间离散上采用三阶MUSCL插值格式与通量差分裂Roe格式相结合;时间方向上采用双时间法,使用隐式LU-SGS格式在伪时间方向上进行推进;湍流模型采用对分离流动具有较好捕捉能力的Spalart-Allmaras模型。为提高旋翼桨叶弹性变形运动的模拟精度,建立了基于Hamilton变分原理的CSD模型,并与高精度的CFD求解器结合,发展了适合旋翼桨叶变形及载荷特性模拟的流固耦合分析方法。在CFD/CSD耦合方法分析流场基础上,使用可穿透空间积分面的FW-H_pds方法对旋翼气动噪声特性进行计算。首先,对流场及噪声数值方法进行验证;然后,着重针对UH-60A旋翼的斜下降飞行状态,分别对有/无IBC噪声主动控制条件下的旋翼BVI气动噪声特性进行了模拟,相位角、幅值和频率等不同控制参数的影响对比分析结果表明:IBC主动控制减小了前行侧桨叶表面尤其是桨叶尖部的负压峰值,降低了桨-涡干扰发生位置附近的桨叶气动载荷;同时主动控制后的桨尖涡集中程度变弱,并且增加了桨叶与桨尖涡之间的相遇距离,从而显著降低了桨-涡干扰噪声;选取合理的相位角、幅值和频率等主动控制参数组合,BVI噪声降低可达5~7dB。     

抛物线后掠桨尖旋翼悬停气动特性试验及理论分析研究

对一种新型桨尖旋翼开展了悬停状态气动特性的试验和理论分析研究.该旋翼桨叶截面选择OA翼型配置,桨尖为抛物线后掠加下反形式.首先,在旋翼台上测量了该旋翼在不同总距条件下的桨叶表面压强分布,并与数值计算的结果进行了对比.为进一步分析旋翼桨尖形式对悬停气动特性的影响,本文还计算了带不同下反角桨尖形式旋翼在相同工作状态下的桨叶表面压力分布.综合试验及理论分析结果,得到了一些有意义的结论.     

旋翼桨叶翼型流场和跨音速翼涡干扰噪声研究

基于桨涡干扰流动的噪声场分析了NACA0012翼型的远场气动噪声.采用Euler方程计算了NACA0012、NACA23012、OA207三种翼型的绕流场,选取Kirchhoff面选为包围整个翼型的一层网格,通过得到NACA0012翼型的Kirchhoff面上在桨尖涡干扰流动下的近场解,根据Kirchhoff方法求解远场声压.样例计算分析体现出:在计算桨涡干扰噪声时,旋翼CFD技术与Kirchhoff方法相结合的良好效果.     

基于非结构网格CFD技术的旋翼气动噪声计算方法研究

将基于非结构网格技术的旋翼流场CFD计算方法与基于FW-H和Kirchhoff方程的声学方法相结合,建立了一套既适合于直升机旋翼厚度、载荷和桨-涡干扰噪声,又适合于跨声速高速脉冲噪声的综合计算模型。为提高旋翼流场及桨叶表面气动载荷计算的精度,主控方程的求解采用了三维可压非定常的N-S方程,网格划分则使用非结构运动嵌套网格方法。在噪声计算中,通过FW-H方法计算旋翼的厚度噪声和载荷噪声,并选取能够包含流场非线性区域的旋转面作为Kirchhoff积分面,由Kirchhoff方法计算包含四极子项的高速脉冲噪声。应用该模型,以AH-1旋翼为算例,计算了不同飞行状态下的旋翼气动噪声,并与可得到的试验结果进行比较,验证了方法的有效性。然后,着重对两种声学方法对计算结果的影响进行了对比研究,并分析了旋翼厚度噪声、载荷噪声和四极子噪声的特性。     

旋翼地面效应的气动建模与特性

地面对旋翼气动特性影响明显，且导致旋翼流场更加复杂。为分析地面效应下的旋翼桨尖涡和流场变化特性，基于涡面和无滑移边界条件，求解第2类Fredholm方程获得地面涡面矢量分布，且将涡面矢量按涡扩散方程扩散到流体中，建立考虑黏性效应的地面气动模型，并耦合非定常面元/黏性涡粒子混合法以体现旋翼桨叶气动特性和旋翼尾迹的非定常效应，构建旋翼地面效应气动分析方法。通过计算Lynx尾桨地面效应下的性能和桨尖涡轨迹，并计算Maryland大学模型旋翼和NASA缩比旋翼地面效应下的垂向、径向速度分布，且与试验和CFD计算结果对比，验证了本文方法能较好捕捉地面效应下的旋翼尾迹变化特性和复杂速度场特性，且结果表明本文方法能较好模拟地面效应下旋翼桨尖涡的收缩、扩散、井喷、地面射流等物理现象。     

新型桨尖抑制旋翼跨声速噪声特性的影响机理分析

为研究不同形式的新型桨尖在抑制旋翼跨声速噪声特性方面的作用机理,以UH-1H模型旋翼为基准,开展了多种后掠和前掠桨尖对旋翼高速脉冲噪声特性的数值分析研究。采用积分形式的可压缩雷诺平均NavierStokes(RANS)方程作为旋翼流场求解控制方程,时间推进方法采用高效的隐式LU-SGS格式,空间方向采用高精度的Roe-MUSCL格式,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型。在CFD方法验证基础上,采用基于可穿透旋转积分面的鲁棒性较好的FW-H_pds方程来求解旋翼高速脉冲(high-speed impulsive,HSI)噪声,并通过对UH-1H模型旋翼的跨声速噪声的计算,验证了噪声预测方法的有效性。在此基础上,研究了在不同桨尖马赫数下的旋翼桨尖附近的离域化(delocalization)现象以及高速脉冲噪声特性,通过四极子噪声和单极子噪声的对比分析,揭示了旋翼跨声速噪声产生机理。然后,着重研究了不同外形参数的后掠和前掠桨尖旋翼在抑制旋翼跨声速特性方面的影响规律。计算结果表明:随着桨尖马赫数的增加,旋翼高速脉冲噪声辐射愈加强烈,离域化现象愈加明显;后掠和前掠桨尖旋翼均可以不同程度地减弱激波强度,能有效抑制离域化现象的产生,从而降低旋翼跨声速噪声水平;前掠桨尖旋翼还可以驱使激波位置向桨叶内侧移动,减弱其对桨叶外部空间区域的影响,能更有效地抑制离域化现象的产生。     

改进型CLOR桨尖旋翼气动特性试验研究及数值分析

 通过风洞试验及数值模拟对具有改进型CLOR(CLOR-Ⅱ)桨尖的旋翼悬停和前飞状态气动特性开展研究。在CLOR桨尖旋翼试验及数值分析的基础上,考虑旋翼非定常流场特点,兼顾旋翼悬停和前飞气动性能,对旋翼桨叶的气动外形进行了改进,主要包括采用多种翼型优化配置以综合改善旋翼前行侧压缩性及后行侧桨叶失速特性,并考虑旋翼前飞状态对其桨叶动力学特性的需求,重新设计了桨尖前后缘的外形。在风洞中分别对3种旋翼进行多种状态条件下的试验研究,为从流动细节上获得不同桨尖旋翼的气动特性差别,采用计算流体力学(CFD)方法对试验状态进行了数值模拟对比。对更高转速状态进行模拟,结果表明相对于其他两种旋翼,CLOR-Ⅱ桨尖旋翼在改善跨声速特性和提高失速迎角等方面具有明显优势,而且综合提高了旋翼悬停和前飞气动性能。     

旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究

为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程,建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中,流场求解选取旋转坐标系下的Navier-Stokes方程为控制方程;空间离散采用迎风Roe格式,并采用低耗散的5阶WENO(Weighted Essentially Non-Osciltatory)格式进行对流通量的计算;时间推进则采用双时间法,在伪时间步上使用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)推进格式;应用嵌套网格方法实现桨叶网格和背景网格的数据交换。应用所建立的方法对悬停状态的旋翼桨尖涡流场进行了高精度模拟,在桨叶网格上精细地捕捉到了桨尖涡的具体生成过程,在背景网格上捕捉到了更多圈数的桨尖涡尾迹,并对桨尖涡的演化机理进行了深入研究。结果表明:建立的高精度数值方法能够有效地对旋翼桨尖涡的生成和演化过程进行细致模拟;悬停状态下旋翼桨尖气流在上下表面压力梯度的作用下经历了边界层增厚、逐渐卷起形成涡核以及最终脱离桨叶形成桨尖涡的过程。     

基于气弹耦合的旋翼桨涡干扰噪声预测方法

建立了基于气动/弹性耦合的旋翼桨涡干扰（BVI）气动和噪声分析方法。气动模型包括修正Beddoes尾迹模型和CFD模型，噪声计算采用基于声学类比法推导出的FW H（Ffowcs Williams Hawkings）方程，弹性桨叶动力学建模采用有限元方法。应用所建立的方法，对刚性的OLS（operational load survey）旋翼桨涡干扰状态的气动和噪声特性进行了计算，对比了两种气动模型在研究桨涡干扰问题的有效性；以弹性的HART Ⅱ旋翼为研究对象，分析了桨叶弹性、时间步长对桨涡干扰气动载荷和噪声的影响。结果表明:进行桨涡干扰计算时所采用的时间步长不宜超过2°。CFD方法由于固有的数值耗散，计算出的OLS旋翼噪声声压峰值仅为试验值的60%，而修正Beddoes尾迹模型能够避免数值耗散，且具有高效率的优势。考虑桨叶气动弹性能够提高旋翼桨涡干扰噪声的预测精度。      

基于非结构嵌套网格和逆风格式的旋翼悬停流场数值模拟

为更好地计及桨叶间相互影响,同时捕捉桨尖附近的流场细节,发展了一套非结构运动嵌套网格方法,并针对关键的贡献单元搜寻问题提出了一种高效的搜索方法.为了可方便地扩展到前飞状态的计算,同时为提高旋翼流场涡量的捕捉精度和效率,采用双时间法求解惯性坐标系下的非定常N-S主控方程,空间方向上使用二阶迎风格式,在此基础上,将不同精度格式的计算结果与试验值进行对比,并讨论了桨尖形状变化对旋翼气动特性的影响,结果表明本文建立的CFD方法对旋翼悬停流场的模拟是很有效的.