共轴对转螺旋桨气动与噪声特性研究进展

共轴对转螺旋桨由于拉力大、气动效率高而备受人们的关注。本文从共轴对转螺旋桨的试验研究、气动性能评估、气动模拟、气动噪声预测、气动噪声优化设计等方面进行了综述。首先，总结了目前国内外在共轴对转螺旋桨气动及噪声方面的试验成果；随后，介绍了共轴对转螺旋桨气动力计算的工程方法，并详细阐述了北京航空航天大学陆士嘉实验室提出的共轴对转螺旋桨气动力评估的片条理论发展与参数选择；然后，介绍了共轴对转螺旋桨数值模拟方法，并针对共轴对转螺旋桨气动噪声预测的频域方法和时域方法进行了论述；最后，介绍了目前共轴对转螺旋桨气动噪声优化设计的研究成果。     

后桨桨距角对某共轴对转螺旋桨性能影响规律研究

共轴对转螺旋桨的桨距角对前后排桨的桨间气动干扰有重要影响,能够改变螺旋桨的气动性能。为了研究后桨桨距角对共轴对转螺旋桨的气动干扰影响,改善螺旋桨的气动性能,在来流马赫数0.453 的情况下,通过调节后桨桨距角的方式对6×6 构型的共轴对转螺旋桨进行数值计算,数值计算中使用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯（URANS）方程结合SST 湍流模型的方法,并采用T-Rex 高质量网格生成技术研究桨距角对共轴对转螺旋桨桨间气动干扰的变化规律。结果表明：后桨在前排桨产生的预旋气流作用下,能够吸收一部分前桨的切向滑流能量,且气动效率高于前桨,前后桨的气动参数在一个旋转周期内出现12 次周期性波动;共轴对转桨的前后桨转速相同时,前桨桨距角不变,减小后桨桨距角,前后桨的气动效率都会增加,后桨效率提升明显。     

桨间距对某型共轴对转螺旋桨气动性能的影响

为掌握共轴对转螺旋桨的桨间气动干扰规律，降低桨间气动干扰强度，提升共轴对转螺旋桨的气动性能，基于非定常雷诺平均Navier-Stocks方程耦合湍流模型的计算方法，并使用了滑移网格技术，研究了4种不同桨间距的6×6构型对转螺旋桨的桨间气动干扰对其气动性能的影响，桨间距选择了4种不同方案。研究结果表明：在4种不同的轴向桨间距中，当桨间距为0.25倍螺旋桨直径时，共轴对转螺旋桨的平均推进效率最高，并且气动干扰导致的效率脉动幅度较小；随着桨间距的增大，前、后排桨受到的气动干扰强度都会减小，相比于后桨，前桨因气动干扰造成的脉动对桨间距更加敏感。可见共轴对转螺旋桨的桨间距会对螺旋桨的气动干扰，及气动性能产生较为明显的影响，在设计共轴对转螺旋桨时选择合适的桨间距，有利于提高螺旋桨气动性能。     

涡桨飞机螺旋桨气动噪声特性试验研究

随着航空公司短途航线由涡扇发动机转向涡轮螺旋桨发动机,以及机场周边噪声污染的限制越来越严格,商用螺旋桨飞机的声学特征正成为关键的设计参数。为研究螺旋桨的气动性能和声学特性,以某型涡桨飞机六叶螺旋桨为研究对象,在北京航空航天大学沙河校区D5气动声学风洞开展实验研究。实验中对螺旋桨在固定桨叶角设置和旋转速度条件下不同来流风速的组合工况进行测量,以获取不同工况下螺旋桨的天平测力数据和远场声压信号,经过快速傅里叶变换得到来流速度对螺旋桨远场噪声的影响规律。实验结果表明:在较大来流条件下离散部分噪声能激发出更高阶的谐波噪声,各阶谐波噪声幅值随着谐波数增大逐渐降低;当风速较低时宽频噪声声压级增大,这是由于在低前进比条件下,叶片处于失速状态,拉力系数处于非线性段,与叶片表面复杂流场引起的湍流噪声增加有关。通过指向性分析可知,位于桨盘上游位置的总声压级水平大于桨盘下游位置的总声压级水平,主要是因为螺旋桨桨盘前后的相对速度发生了变化,导致了声传播距离的延迟和加速现象。     

共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰

为优化共轴对转螺旋桨的气动性能,研究前后桨之间复杂的非定常气动干扰,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程的数值模拟方法,以及滑移网格技术,对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行了三维非定常气动干扰计算,获得了共轴对转螺旋桨的气动特性变化规律,并给出了优化气动外形及运行控制的建议。计算结果表明:来流马赫数为0.38的情况下,由于非定常气动干扰导致的整个共轴对转螺旋桨的拉力系数和功率系数的脉动幅值为1.5%左右,推进效率的脉动幅值在0.1%左右。一个旋转周期内,前后桨均出现了12次周期波动,后桨由于能够吸收一部分前桨产生的切向滑流能量,推进效率比前桨更高一些,而且能够提高整个桨的效率。另外通过压力系数以及轴向速度的径向分布情况看,70%左右的桨半径位置上非定常气动干扰强度相对较大。      

对转螺旋桨流场气动干扰数值模拟

基于结构网格动态面搭接技术,通过求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程,对单独螺旋桨(SRP)滑流流场进行了数值模拟,结果与风洞试验数据吻合良好,在此基础上深入研究了对转螺旋桨（CRP）的非定常滑流效应及前后桨之间的气动干扰现象。计算结果表明:所采用的非定常RANS方法能够良好刻画对转螺旋桨滑流流场的发展变化特征,适用于分析前后桨气动干扰特性。前后桨桨尖涡的复杂相互作用是导致对转螺旋桨气动干扰的直接原因,后桨桨尖涡对于前桨桨尖涡具有一定耗散作用。在气动干扰影响下,对转螺旋桨气动力会产生周期性波动,波动周期与螺旋桨桨叶数相关, 6×6对转螺旋桨在1个旋转周期内产生了12次波动。气流穿过对转螺旋桨会发生两次加速,因此在相同工况下,对转螺旋桨的拉力系数和功率系数相比于单独螺旋桨分别增大约1倍,效率提升约1.5%。      

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。     

对转桨扇设计参数对噪声水平影响的数值研究

为了研究了对转桨扇叶排间的轴向间隙、叶片弦长和后掠角对气动噪声的影响,设计了7组轴向间隙、叶片弦长和后掠角分别不同的对转桨扇。采用数值模拟软件FineAcoustics对这7组对转桨扇进行了气动声学计算和分析。气动声学计算结果表明：对转桨扇桨叶的气动噪声幅值的大小与前、后排桨叶的轴向距离、后掠角的大小成反比,与叶片弦长成正比;此外,桨叶的载荷噪声在总噪声中起主导作用。     

桨扇后掠降噪规律及声学机理数值研究

结合三维流场数值模拟方法和声学Ffowcs Williams-Hawkings方程声类比方法,对对转桨扇流动及声学特征进行仿真分析,研究了桨叶后掠角对对转桨扇的气动性能和气动噪声的影响规律。结果表明：对转桨扇桨叶后掠角从0°增加至40°,高速巡航状态推进效率可提高接近1.5个百分点,起飞状态推进效率提升不大;桨扇噪声大小与后排桨叶吸力面压力脉动强度有直接关系,增大桨扇桨叶后掠角可明显降低压力脉动强度,从而降低起飞状态下对转桨扇整个角向范围内的噪声大小;在噪声最大的75°角向位置,后掠角从0°增至40°声压级降低达3 dB以上。     

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.     

不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析

桨涡干扰噪声是直升机气动噪声主要组成之一，为了正确预测和降低直升机噪声，必须开展气动噪声相关物理参数研究。在对声场进行计算流体力学（CFD）直接数值模拟的基础上，分析了不同厚度和来流马赫数下二维平行桨涡干扰噪声传播特性和声源位置，分析了翼型厚度和来流马赫数对桨涡干扰噪声的影响，并得到了可压缩情况下远场声压预测公式。研究表明，低马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响不大，高马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响程度增大；噪声强弱主要随来流马赫数变化，翼型厚度对其影响较小；翼型厚度和来流马赫数变化不会改变声源点位置。开展不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析可以为进一步了解并控制直升机桨涡干扰噪声提供一定的参考。     

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。      

螺旋桨飞机远场气动噪声预测程序开发及应用

针对螺旋桨飞机远场气动噪声的数值计算、对比验证问题,采用CFD耦合FW-H声比拟方法,设计开发了一套螺旋桨飞机远场气动噪声精细化预测程序WiseFWH,选取某螺旋桨带动力翼身组合体巡航构型,对其远场气动噪声的频域特性和总声压级指向性分布进行数值仿真。研究结果表明：螺旋桨高速旋转产生的非定常流场脉动是螺旋桨飞机最主要的噪...     

后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响

基于非线性谐波法和声类比模型，研究了不同后排转子直径对对转螺旋桨气动特性和噪声的影响规律。首先，利用单排螺旋桨风洞试验结果验证了数值计算方法的可靠性。随后，以某型对转螺旋桨为研究对象，研究了6种具有不同后排转子直径的对转螺旋桨模型。研究发现，对转螺旋桨后排转子直径“裁剪”会降低后排螺旋桨的拉力系数和功率系数，但对效率的影响不明显。随着后排转子直径的减小，前排转子的叶片通过频率下的噪声几乎没有变化，但高阶噪声变化幅度较大。后排转子减小0.25倍直径，后排转子的叶片通过频率下的噪声降低约为9 dB。后排转子直径“裁剪”不仅可以降低后排转子噪声，在一定程度上也可以降低前排转子的噪声。通过叶片“裁剪”，对转螺旋桨气动噪声降低5~6 dB。对转螺旋桨后排转子直径的减小，减弱了对转螺旋桨叶尖涡干涉和尾迹干涉，并减弱了前后排桨叶的势流场干涉，进而降低了对转螺旋桨的噪声辐射。     

高空长航时无人机螺旋桨后掠桨叶气动研究

由于螺旋桨高速性能欠佳,飞行速度在偏离设计点时气动效率下降很快,以螺旋桨为推进系统的高空长航时无人机难以满足快速爬升和快速机动的设计要求。针对这一问题,将桨叶后掠设计方法应用于高空长航时无人机螺旋桨上,在无后掠桨叶的基础上,分别设计了后掠角为10°、20°、30°、40°、50°五个后掠桨叶。基于周期性边界条件和多重参考系方法求解三维N-S方程,对不同后掠桨叶的气动性能进行了计算。根据计算结果,分析了无后掠螺旋桨气动性能下降的原因和后掠对桨叶气动性能的影响。研究结果表明:高空长航时无人机螺旋桨气动性能下降的原因是定桨距螺旋桨桨叶迎角随飞行速度提高而减小以及桨尖压缩效应的影响;后掠桨叶能提供更大的拉力但也需要更大的功率,当后掠角度处在30°和50°之间时,螺旋桨高速性能最好;后掠桨叶螺旋桨的气动性能受迎角变化、桨尖三维效应、桨尖激波强度、激波-附面层干扰综合影响。     

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.     

基于Kirchhoff方法的跨音速螺旋桨的气动声学计算

本文采用Kirchhof方法计算双桨叶Hartzel跨音速螺旋桨的远场气动噪声。Kirchhoff面为包围整个螺旋桨的固定圆柱面,首先采用FLOWer软件包直接求解Euler方程得到圆柱内和圆柱面上的近场气动流场解,然后根据Kirchhof方法求解远场声场。通过计算详细研究了圆柱的直径和高度对远场声场的影响,以及圆柱各部分对远场声压的贡献,文中同时给出了Farassat线性方法的计算结果。      

悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转气动特性

针对桨叶气动性能的提高,建立了一套基于悬停状态的共轴双旋翼桨叶扭转设计方法.在该方法中,设定单旋翼桨叶扭转几何安装角,通过仿真验证,合理的桨叶扭转,可提高旋翼性能7.0%;根据桨尖涡对桨叶的影响,以及共轴双旋翼气动特性,分别对桨尖几何安装角及上下旋翼几何安装角进行修正,实现悬停状态共轴双旋翼桨叶扭转设计.最后,对所设计的共轴双旋翼进行模拟仿真,结果表明该扭转翼较未经扭转的矩形翼升力提高了10.3%.      

桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响

采用基于非结构网格的滑移网格技术,对悬停状态下涵道螺旋桨流场进行了非定常Euler方程数值模拟,分别考查了桨尖间隙和双桨间距对涵道螺旋桨气动性能的影响.桨尖间隙比的变化范围取为0~1.37%,双桨间距变化范围取为0.25~0.65倍的桨叶半径.研究发现:随着桨尖间隙增大,涵道螺旋桨拉力降低,功率载荷减小;桨尖间隙比存在一个临界值,约为1.10%,在该值附近,桨尖泄漏涡显著增强,引起涵道和螺旋桨的拉力分配关系剧烈变化,涵道拉力占总拉力的比值下降10.27%,系统气动性能迅速恶化;大间隙下桨尖泄漏流表现出较强的非定常现象.增大双桨间距可以提高共轴双桨涵道的气动效率,但是因为涵道对螺旋桨滑流的改善作用,这种影响并不显著,气动力的相对变化量在3%以内.     

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。