旋翼桨-涡干扰噪声特性风洞试验研究

在中国航空工业空气动力研究院FL–10风洞中开展了旋翼桨–涡干扰噪声传播特性试验,对BO–105主旋翼40%缩比模型中等前飞速度爬升、平飞、斜下降状态的气动噪声进行了测量。首先采用Heyson洞壁干扰修正方法确定风洞试验时的旋翼下滑角,通过气流内测量阵列移动获得了桨盘平面下方完整的噪声辐射场,然后对不同飞行状态下的桨–涡干扰噪声传播特性进行了分析,得到了典型状态的声压–时间历程、频谱和声压级云图。结果表明:旋翼斜下降飞行状态出现了明显的桨–涡干扰噪声,干扰较强时桨叶前行侧和后行侧都会产生桨–涡干扰噪声,且其传播具有明显的方向性,即前行侧指向桨盘上游和桨盘下方,后行侧指向桨盘下游。

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。

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。

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。

直升机飞行参数对起降过程中旋翼桨-涡干扰噪声影响的分析

从直升机平衡方程与飞行参数的影响关系出发,推导了一个直升机起降过程中旋翼桨-涡干扰噪声分析的模型,以适用于飞行参数对桨-涡干扰噪声影响的研究。在该模型中,引入了桨涡垂直间距和轨迹马赫数两个关键影响参数的求解。然后,应用该模型分析了飞行参数对直升机起降阶段的旋翼桨-涡干扰噪声的影响,着重计算了不同飞行速度时的桨涡垂直间距和超声速噪声辐射源点随飞行参数的变化。结果表明,桨涡干扰中的超声速噪声辐射源点在一定的飞行状态下会成为主导的噪声源。

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。

翼涡干扰前缘开孔被动控制数值研究

开孔方法是一种简单的流动被动控制方法.为找到一种有效降低桨涡干扰效应的被动控制方法,以NACA 0012翼型作为研究对象,建立了4种前缘开孔的模型.在不同来流速度、涡的强度和干扰距离条件下,对4种前缘开孔模型和无孔的基准翼型进行了二维平行桨涡干扰(翼涡干扰)数值模拟,对比了升力系数的变化.结果表明:前缘开孔可以降低翼涡干扰效应,但对翼型升力系数有一定的影响;宽度为2.5%弦长的直孔能在翼型升力系数损失较小的情况下有效地降低翼涡干扰效应,且适用范围较广.

直升机旋翼桨涡干扰噪声主动控制技术综述

旋翼桨涡干扰噪声是典型的直升机噪声类型之一,会显著增大直升机总体噪声水平,带来严重的环境噪声污染。主动控制技术是降低桨涡干扰噪声的有效手段之一。针对旋翼桨涡干扰噪声主动控制技术的研究情况进行概述。首先介绍高阶谐波控制(HHC)、独立桨距控制(IBC)、主动后缘襟翼控制(ACF)等桨涡干扰噪声主动控制技术的概念及产生过程;然后针对每种技术的发展历程及研究现状进行归纳总结;之后重点讨论桨涡干扰噪声主动控制所采用控制算法的发展趋势;最后对旋翼桨涡干扰噪声主动控制技术的发展趋势进行展望,并结合国内研究情况指出开展桨涡干扰噪声主动控制研究的关键技术及途径。

旋翼非定常平行桨-涡干扰流场的数值模拟

建立了一个基于Euler方程的旋翼平行桨-涡干扰流场的数值模拟方法。该方法在时间离散上使用隐式的双时间法,以避免因物理时间步长过小而引起的数值不稳定问题;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,采用了预定涡方法。以Kitaplioglu的平行桨-涡干扰试验模型为算例,计算了表面瞬时压强分布,并与可得到的试验结果相比较,验证了方法的有效性,且描述了干扰流场的气动力变化特性以及桨叶表面扰动压力波的产生和传播过程,然后分析了马赫数、涡强度、干扰距离等参数对桨-涡干扰流场特性的影响。在此基础上,得出了一些有意义的结论。

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。

二维平行桨涡干扰气动噪声特性分析

深入理解桨-涡干扰脉冲噪声特性对其噪声的控制具有重要意义。采用气动噪声直接法对低马赫数条件下的二维平行桨-涡干扰气动噪声进行了数值计算,分析了噪声的产生机理和传播、衰减规律。结果表明:当旋涡接近和经过翼型前缘时,翼型前缘附近压强发生强度不同的两次突变,导致翼型气动力变化的同时,向外辐射产生具有偶极子指向性的脉冲声波,其中较弱的一次压强突变能更有效率地辐射声波;通过对4种不同来流速度的声场进行分析,发现上、下远场声压峰值和传播距离成反比,和来流速度的三次方与升力系数波动幅值之积成正比,由此得出了远场声压峰值计算公式,为桨-涡干扰远场声压的预测提供了另一种途径。

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。

ENO-AUSMPW格式对激波涡干扰的数值模拟

高阶ENO格式在复杂流场计算中具有重要的地位,它理论上可以达到任何阶的精度。本文采用二维高阶ENO插值方法,构造了高阶AUSMPW格式,并对包含复杂激波结构的激波涡干扰流场进行了数值模拟。计算结果表明了高阶ENO插值下的AUSMPW格式具有较高的激波分辨率和较低的数值耗散。

直升机桨—涡干扰试验研究

本文简要介绍了桨涡干扰试验研究中的桨叶表面压力测量、旋翼噪声测量、LLS和PIV技术,BVI情况下桨叶表面压力和旋翼噪声的特点,并以Berend G,van der Wall等采用的方法为例介绍了PIV试验数据的处理技术。

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。

直升机桨—涡干扰预测方法研究

本文简要介绍了桨—涡干扰(BVI)预测的一些情况(预定尾迹法、自由尾迹法、等环量曲涡元法和CFD/CSD耦合法等)。总的来说,在桨—涡干扰预测方面已取得了很大进步,但要达到准确预测桨—涡干扰尚需作进一步努力。

大气环境对直升机旋翼桨-涡干扰噪声辐射特性的影响

建立了一个适用于旋翼桨-涡干扰气动载荷计算的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)/自由尾迹耦合模型,为提高计算效率,提出了一种高效的耦合策略进行不同计算域间的信息交换策略。在此基础上,结合基于声类比法的FW-H方程构建了旋翼桨-涡干扰噪声的计算方法。应用所建立的方法,以OLS(Operational loads survey)旋翼为研究对象,深入分析了大气环境对旋翼噪声辐射特性的影响。研究发现:随着飞行高度的增加,旋翼噪声辐射特性发生了明显的改变,逐渐由桨盘前行侧转变为指向桨盘前方,噪声幅值先增大后减小。文中从桨-涡干扰距离、干扰位置变化角度计算分析了大气压力、音速及空气密度等环境参数对旋翼桨-涡干扰噪声辐射特性的影响,并得出了一些有实际意义的影响规律。

旋翼桨涡干扰噪声特性试验技术研究

利用改进的涡发生器,在全消声试验室进行桨涡干扰噪声特性试验;随后采用多圈整周期平均和阶次分析方法对桨涡干扰噪声频谱特性和声场分布特性进行了分析。结果显示多圈整周期平均不仅能够抑制无关噪声,同时能很好地保持桨涡干扰噪声特征波形。选择最大声压对应的阶次进行分析,获得了规律明显的不同出涡速度下的声场分布图,从而证明了相关试验技术的有效性。

激波-涡干扰声场的数值研究

采用高精度差分格式求解非定常可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对激波－单涡／双涡相互干扰产生的声场进行了直接数值模拟。详细研究了波－涡干扰声场结构的早期发展阶段，将激波－单涡的计算结果和相应实验进行了对比，并给出近场声压的衰减规律。在此基础上模拟较为复杂的激波－双涡干扰，给出不同旋涡旋转方向下的声场结构。

基于LBM-LES方法桨-涡干扰气动噪声直接计算

文章在马赫数较低的条件下,采用基于LBM框架下的LES方法,对平行桨-涡干扰气动噪声进行了直接数值计算。使用D2Q9模型作为LBM格子的离散速度模型,同时使用动态Smagorinsky亚格子模型作为LES方法的亚格子模型。计算结果显示,大涡模拟方法能够较为准确地获取桨-涡干扰气动噪声的声场,并且能够对桨-涡干扰气动噪声的生成机理、传播规律及噪声特性进行分析;桨涡干扰噪声的直接计算,大涡模拟方法对近壁面区域可以用壁面函数近似,近场特别是声源区域内网格最为关键。