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。     

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。     

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.     

基于CFD方法的倾转旋翼/螺旋桨气动优化分析

针对倾转旋翼存在直升机和固定翼两种工作模式特点,将CFD方法与优化方法相结合,建立了一套倾转旋翼/螺旋桨气动外形综合优化设计方法。首先,发展了一套适合桨叶气动外形优化的高效网格生成方法,将桨叶三维网格的生成转化为沿桨叶展向分布的独立二维网格生成问题,降低优化设计过程中桨叶网格生成难度和计算量。然后,基于动量/叶素组合理论,建立了适用于悬停和巡航状态旋翼操纵量计算的高效配平方法,并提出适合同时描述倾转旋翼悬停和巡航性能的综合性能评价指标。采用RANS方程作为主控方程,湍流模型采用S-A模型,时间推进上采用高效的隐式LU-SGS格式。最后,为提高倾转旋翼外形优化设计的效率,建立基于置换遗传算法优化的拉丁超立方方法(PermGA LHS)和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法。在上述方法基础上,选取一种包含前后掠以及尖削等外形组合变化外形的倾转旋翼作为原始构型,分析倾转旋翼气动性能及流动细节特征,发现悬停和巡航状态桨叶升力分布不合理之处及其产生机理。进一步通过对三维桨叶尖部的综合气动外形(扭转/弦长/上下反)优化设计,优化方案能有效改善桨叶尖部的气流分离现象,且提升桨叶升力沿展向分布的均匀性,因而明显提高了倾转旋翼的综合气动效率(优化旋翼最大悬停效率和最大巡航效率分别提高了8.4%和6.84%,优化旋翼综合性能指标提高最大值达到5.7%);性能最优构型桨叶的特征有:桨叶扭转角变化内陡外缓;桨叶外侧弦长有显著增加、尖部大尖削;桨叶尖部内侧上反和外侧下反组合变化。     

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。     

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。     

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。     

悬停状态直升机桨叶扭转分布的优化数值计算

建立了一套基于高精度计算流体力学(CFD)技术和代理模型优化算法的旋翼气动外形设计方法。在该方法中,旋翼流场气动性能的计算采用了基于Navier-Stokes/Euler方程的CFD方法,并根据流场特点、精度和效率的要求采用Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型,通量计算采用Roe-MUSCL格式进行。为提高网格生成质量和便于流场控制方程的求解,将流场分成两个区域,即围绕旋翼的黏性区和无黏的背景网格区。其中,桨叶网格使用了基于二维翼型网格的参数化方法生成,数值计算结果表明该方法有效地提高了网格生成质量及效率。在参考旋翼流场及桨叶细节流动分析的基础上给出设计变量及范围,有效减小了优化问题的规模;为满足优化和机理分析的需要,将基于置换遗传算法优化的拉丁超立方(PermGA LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型优化方法引入到桨叶外形的优化设计中。首先以Helishape 7A旋翼为算例,检验了数值模拟方法的准确性。然后,应用所建立的优化方法针对旋翼负扭转分布进行了优化计算,结果表明优化后的旋翼悬停气动性能比优化前有了明显提高。     

悬停状态剪刀式尾桨气动/噪声特性优化分析

建立了一套基于CFD(computational fluid dynamics)方法和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的剪刀式尾桨气动噪声预估技术和组合优化算法的尾桨外形参数设计方法。基于嵌套网格方法采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为尾桨流场求解控制方程,采用了一套适用于剪刀式尾桨悬停气动特性模拟的高效CFD方法。在流场分析的基础上,采用FW-H方程预测剪刀式尾桨在典型观察位置处的气动噪声。分别在控制总距以及控制拉力系数不变的情况下,以提高尾桨悬停效率同时降低气动噪声为目标,对剪刀式尾桨的剪刀角和轴间距两个主要外形参数进行优化设计。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法与遗传算法过程相结合,建立了一种有效的组合优化算法。结果表明:剪刀角和轴间距的不同组合可以通过削弱桨-涡干扰现象从而实现降低旋翼桨-涡干扰噪声的目的。在当前的计算状态下,优化得到的剪刀式尾桨的悬停效率比常规尾桨高16%,其平均声压级比常规尾桨降低了2.3 dB。      

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.      

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。     

Numerical analysis on noise of rotor with unconventional blade tips based on CFD/Kirchhoff method

A solver is developed aiming at efficiently predicting rotor noise in hover and forward flight. In this solver, the nonlinear near-field solutions are calculated by a hybrid approach which includes the Navier-Stokes and Euler equations based on a moving-embedded grid system and adaptive grid methodology. A combination of the third-order upwind scheme and flux-difference splitting scheme, instead of the second-order center-difference scheme which may cause larger wake dissipation, has been employed in the present computational fluid dynamics (CFD) method. The sound pressure data in the near field can be calculated directly by solving the Navier-Stokes equations, and the sound propagation can be predicted by the Kirchhoff method. A harmonic expansion approach is presented for rotor far-field noise prediction, which gives an analytical expression for the integral function in the Kirchhoff formula. As a result, the interpolation process is simplified and the efficiency and accuracy of the interpolation are improved. Then, the high-speed impulsive (HIS) noise of a helicopter rotor at different tip Mach numbers and on different observers is calculated and analyzed in hover and forward flight, which shows a highly directional characteristic of the rotor HIS noise with a maximum value in the rotor plane, and the HSI noise weakens rapidly with the increasing of the directivity angle. In order to investigate the effects of the rotor blade-tip shape on its aeroacoustic characteristics, four kinds of blade tips are designed and their noise characteristics have been simulated. At last, a new unconventional CLOR-II blade tip has been designed, and the noise characteristics of the presented CLOR-II model rotor have been simulated and measured compared to the reference rotors with a rectangular or swept-back platform blade tip. The results demonstrate that the unconventional CLOR-II blade tip can significantly reduce the HSI noise of a rotor.     

An adaptive integration surface for predicting transonic rotor noise in hovering and forward flights

In this paper, a new permeable adaptive integration surface is developed in order to evaluate transonic rotor noise in accordance with FW-H_pds equations(Ffowcs Williams-Hawkings equations with penetrable data surface). Firstly, a nonlinear near-field solution is computed on the basis of Navier-Stokes equations, which is developed on moving-embedded grid methodology.The solution calculated through the present CFD method is used as the input for acoustic calculations by FW-H_pds equations. Then, two criteria for constructing integration surfaces are established based on the analysis of the quadrupole source strength and the nonlinear characteristic.A new surface is determined adaptively by the pressure gradient or density in a given flowfield,eschewing the uncertainties associated with determining cylinder-shaped integration surfaces. For varying hover cases, transonic noises are simulated with new integration surfaces for a UH-1 model rotor. Furthermore, numerical results of the new integration surface derived from the density perturbation value conform better to experimental data than results derived from the pressure gradient.Finally, the integration surface given by jrqj being 0.1, which is an applicable criterion obtained from hover cases, is used to predict transonic rotor noise in forward flight. The computational accuracy of the new integration surface method has been validated in predicting transonic rotor noise of an AH-1 model rotor at different advance ratios.     

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。     

旋翼非定常气动特性CFD模拟的通用运动嵌套网格方法

针对直升机旋翼非定常气动特性CFD模拟中的网格生成难题,提出了一套高效、通用的运动嵌套网格生成方法.首先,基于Poisson方程求解和翻折法生成旋翼桨叶的正交贴体网格.其次,针对旋翼桨叶的扭转分布及变距、挥舞等复杂运动,建立了一套通用的洞单元识别的扰动衍射法;为保证洞包络面的封闭性,完善了挖洞过程中网格加密策略;在洞边界确立基础上,提出了一种高效、鲁棒的最小距离法贡献单元搜索的改进方法.在此基础上,建立了基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程的旋翼非定常流场CFD模拟方法.最后,采用所建立的方法分别对悬停和前飞状态下的C-T(Caradonna-Tung)旋翼和7A(Helishape 7A)旋翼的气动特性、桨尖涡的位置进行了计算,计算结果与试验值误差小于5%,验证了该运动嵌套网格生成方法在旋翼非定常气动特性CFD模拟中的有效性.