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.     

直升机旋翼气动噪声的研究新进展

随着直升机的广泛使用,旋翼气动噪声问题逐渐得到重视。概述了旋翼厚度噪声、载荷噪声、高速脉冲(HSI)噪声、桨-涡干扰(BVI)噪声和宽带噪声的国内外研究现状,简述了旋翼气动噪声理论、试验、计算发展历程以及各阶段的研究成果,并对后缘襟翼、高阶谐波控制(HHC)、单片桨叶控制(IBC)、主动扭转桨叶等噪声控制方法和概念进行了介绍。重点叙述了旋翼气动噪声的研究新进展,包括大气、地面和飞行轨迹等对直升机旋翼噪声的影响,机身散射声场以及机动噪声计算方法等方面取得的成就。对直升机旋翼气动噪声的研究进行了总结,并对其发展前景提出了展望。     

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。     

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。      

基于瞬态尾迹模型的直升机旋翼旋转噪声计算

针对旋翼噪声时域方式求解的特点,本文在能考虑厚度影响的桨叶升力面气动模型的基础上,建立了一个随时间推进的瞬时自由尾迹模型,在该模型中,为提高桨叶载荷计算的准确性,计入了翼型的非定常气动力影响、桨叶的挥舞运动和旋翼的气动力平衡。利用建立的自由尾迹模型,结合Farassat的时域噪声预测理论,构建了一个旋翼旋转噪声预测方法。利用该方法首先计算了模型旋翼在前飞时的载荷和声压时间历程,通过与试验数据的对比,验证了方法的有效性,然后基于本文建立的噪声预测方法,计算了悬停和前飞状态直升机旋翼的厚度噪声、载荷噪声及总旋转噪声的声压时间历程和频谱特性。     

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。     

消失球方法及其对旋翼厚度噪声的分析研究

对旋翼厚度噪声及其数值模拟方法进行了讨论,着重解决了以下两个问题：（1）通过理论和数值分析,讨论了使用消失球公式计算旋翼旋转噪声时计算结果的有效性;（2）通过计算机模拟,深入分析了旋翼厚度噪声的特征。     

旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算研究

针对旋翼干扰下的直升机尾桨气动噪声计算问题,将CFD方法与Farassat 1A(F1A)公式相结合,提出了一种适用于旋翼干扰下的尾桨气动噪声数值计算方法。首先,应用所提出的方法进行了噪声的算例验证,并与参考文献结果进行了对比;然后,着重针对悬停和前飞状态旋翼干扰下的尾桨噪声及气动特性进行了计算分析,并与孤立尾桨状态进行了对比。计算分析结果表明:悬停状态下,旋翼干扰下的尾桨气动噪声水平显著大于孤立尾桨;而在前飞状态,由于旋翼尾迹对尾桨桨盘平面产生更强的气动干扰,这一现象会更加明显;同时,在旋翼干扰作用下,尾桨噪声的主传播方向也会发生明显变化。     

带下反桨尖旋翼气动噪声数值分析

采用高精度、高效的CFD(计算流体力学)方法求解旋翼流场,在获得准确的流场信息的基础上,噪声计算采用基于声类比法的FW-H方程进行求解。利用算例对气动噪声预估方法进行了验证,针对带不同下反角度桨尖旋翼的悬停状态和前飞状态的气动噪声进行了对比计算分析,着重开展了下反角为0°、20°和45°的三副旋翼的近场噪声及地面噪声计算分析,结果表明,下反桨尖具有降噪效果,能够在一定程度上抑制旋翼气动噪声。     

基于HHC方法的旋翼噪声抑制机理及参数影响

旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声是旋翼气动噪声抑制的主要对象之一。其中,高阶谐波控制(HHC)是一种较为有效的噪声主动抑制方法。为探究HHC方法的降噪效果、降噪机理及参数影响规律,基于嵌套网格生成方法,采用可压雷诺Navier-Stokes方程对流场进行求解,建立了适合于模拟旋翼桨-涡干扰流场的计算流体力学(CFD)数值方法。在流场CFD分析的基础上,采用FW-H(Ffowcs Williams-Hawking)方程预测桨-涡干扰状态下的旋翼噪声,通过对施加高阶谐波控制后的BO-105模型旋翼BVI噪声进行算例验证,得到了一套可以应用于高阶谐波控制下旋翼BVI噪声估算的CFD/FW-H方法。通过对不同HHC方案的数值模拟,发现在直升机斜下降状态下,施加高阶谐波控制后的旋翼BVI噪声能够降低多达4~7dB。进一步,细致分析了HHC方案的控制频率、输入相位以及输入幅值3个参数对旋翼BVI噪声抑制效果的影响,得到了相关参数的影响规律。并且,基于输入幅值对HHC降噪效果的影响规律,对高阶谐波控制方法的降噪机理做出了进一步的说明。     

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.     

基于混合CFD方法的旋翼桨-涡干扰噪声计算

建立了一个基于Euler方程和自由尾迹分析的新的、高效的混合计算方法,用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动和噪声特性的研究.在该方法中,仅针对单片桨叶进行计算,通过求解Euler方程来捕捉流场中旋翼近尾迹的影响以及桨叶表面的非定常载荷,流场空间中旋翼远尾迹的位置由自由尾迹模型给出;提出了广义网格速度方法以将旋翼远尾迹的影响...     

基于FW-Hpds方法的直升机旋翼气动噪声指向性分析

本文使用基于可穿透数据面的Ffowcs Williams-Hawkings方程(FW-Hpds)的预测方法分析了跨声速直升机悬停旋翼气动噪声的指向性。通过求解三维非定常欧拉方程计算了近场噪声,通过延迟时积分方法和求解FW-Hpds方程计算远场噪声。预测了跨声速UH-1H悬停旋翼的高速脉冲噪声(HSI),然后计算了不同观测点处的声压级,并通过声压级在不同方向上的分布分析了HSI噪声的方向性。根据本文研究发现HSI噪声在桨盘平面上最大,在转轴方向上最小,和其它研究者的结论一致。     

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。      

Kirchhoff方法在旋翼前飞噪声预测中的应用研究

将CFD(计算流体力学)技术与噪声预测的Kirchhoff方法相结合,发展了前飞状态下直升机旋翼远场气动噪声的定量预测方法,得到了旋翼噪声的时域解。先用具有解析解的“点源”流动代替旋翼流动,通过比较计算值与理论值,验证了该预测方法的可行性和可靠性;尔后针对AH—1／OLS旋翼模型的两种前飞状态进行计算,通过比较计算值与实验值,进一步验证了本文方法及其所发展的程序的正确性。     

先进直升机旋翼悬停状态气动性能计算

 为更好地模拟先进直升机旋翼流场,同时准确计算其悬停状态的气动性能,建立了一套基于Navier-Stokes/Euler方程的混合CFD方法。该方法的求解域由两部分组成：一是围绕旋翼桨叶周围的黏性区域,采用可压缩Navier-Stokes方程来模拟旋翼附近的黏性流动和近场尾涡的捕捉;二是离桨叶较远、黏性可以忽略的远场区域,用Euler方程来描述其流动。在该方法中,将三阶逆风格式（MUSCL）与通量差分分裂方法相结合,无需添加人工黏性,因而可有效地减少旋翼尾迹数值耗散。?阌诹鞒》智蠼庖约爸芷谛员呓缣跫氖凳?采用了嵌套网格方法,并给出旋翼网格与背景网格交界面的信息传递方式。应用所建立的计算方法,首先对二维翼型、三维M6机翼的流场进行了数值模拟,以验证计算方法;然后,着重计算了有实验结果可供对比的具有先进气动外形的HELISHAPE 7A模型旋翼和UH-60A直升机旋翼,通过计算得到旋翼表面压力分布、桨叶展向拉力系数分布、桨叶表面细节流动以及气动性能等,进一步验证了该方法的有效性。     

透平叶顶泄漏能量损失的数值计算

商用N S求解器已经被用于透平动叶顶部空隙的非定常流场的模拟和研究。本文介绍了一种新的用于透平动叶片顶部空隙区域流场计算的能量损失方法 ,可以方便地用于各种流场。发现高黏度效应区域位于上端壁附近而不是在叶片顶部。研究表明对于不同的动叶片其顶部泄流的能量时均损失是不一样的。该结果提供了一个有用的线索 ,可以通过叶片设计者设计出不同几何和空气动力学参数的非统一的动叶片 ,从而减小能量损失     

用多重网格方法计算旋翼跨声速无粘流场

发展了一种加快悬停旋翼无粘流场计算收敛速度的多重网格方法。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域，同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间，使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场，因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散格式采用了中心有限体积方法，时间推进应用了五步龙格-库塔法。采用3层网格的V循环，对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明：尽管多重网格方法对旋翼流场的加速收敛作用不如对固定翼流场的加速收敛效果，但是多重网格方法仍然可以显著地加快旋翼流场收敛。     

A New Single-blade Based Hybrid CFD Method for Hovering and Forward-flight Rotor Computation

A hybrid Euler/full potential/Lagrangian wake method,based on single-blade simulation,for predicting unsteady aerodynamic flow around helicopter rotors in hover and forward flight has been developed.In this method,an Euler solver is used to model the near wake evolution and transonic flow phenomena in the vicinity of the blade,and a full potential equation(FPE) is used to model the isentropic potential flow region far away from the rotor,while the wake effects of other blades and the far wake are incorporated into the flow solution as an induced inflow distribution using a Lagrangian based wake analysis.To further reduce the execution time,the computational fluid dynamics(CFD) solution and rotor wake analysis(including induced velocity up-date) are conducted parallelly,and a load balancing strategy is employed to account for the information exchange between two solvers.By the developed method,several hover and forward-flight cases on Caradonna-Tung and Helishape 7A rotors are per-formed.Good agreements of the loadings on blade surface with available measured data demonstrate the validation of the method.Also,the CPU time required for different computation runs is compared in the paper,and the results show that the pre-sent hybrid method is superior to conventional CFD method in time cost,and will be more efficient with the number of blades increasing.