基于混合CFD方法的旋翼桨-涡干扰噪声计算

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1、航空学报ActaAerOnauticaelAs”OnauticaSiniCaJan．252011VoI．32No．191．98lSSN1000一6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb(孕buaa．edu．cn文章编号：lOOO一6893(2011)Ol一009卜08基于混合CFD方法的旋翼桨一涡干扰噪声计算史勇杰，樊枫，徐国华*，招启军南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，江苏南京210016摘要：建立了一个基于Euier方程和自由尾迹分析的新的、高效的

2、混合计算方法，用于旋翼桨一涡干扰(BVT)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耦合到流场的求解中；噪声的分析采用基于声学类比法的Fw—H方程。应用上述方法对AH—l／()I。s旋翼BVI状态的气动载荷和噪声进行了计算，并与可得到的试验数据对比．验证了方法的有效性。计算结果表明：下降飞行状态的旋翼，在桨盘面会产生多处BVl现象，

3、而干扰脉冲载荷主要来自桨叶前缘10％弦长内的压强突变；典型的BVI噪声具有多个正、负脉冲声压，且具有较强的方向性。关键词：混合方法；旋翼；桨一涡干扰噪声；计箅流体力学；Euler方程；自由尾迹；广义网格速度法中图分类号：V211．52文献标识码：A与固定翼飞行器不同的是，旋翼飞行器T作时桨叶始终处于自身以及其他桨叶产生的涡流场中。在中小速度前飞尤其是下降状态，尾迹随当地气流运动会接近甚至穿过桨盘平面，出现桨叶与尾迹涡靠近相遇的情况，形成特有的桨一涡干扰(Blade—vortexInteraction，BVI)

4、现象。当BⅥ发生时，桨叶表面的气动载荷分布会出现脉动，这种载荷脉动将导致旋翼出现较高的噪声和振动水平，从而严重影响到飞行操纵和乘客的舒适性，且会对地面人员形成很强的噪声干扰，因此BⅥ问题一直是直升机空气动力学和气动声学的研究重点[1]。旋翼BVI气动载荷和噪声的强度以及传播方向与很多因素有关【2J。关于BVI噪声的研究，先前一些研究者在噪声机理和降噪方面已开展了不少工作，但主要集中在试验研究方面L31；而在理论计算方法的研究方面，由于旋翼BVI问题的复杂性，它的模拟和分析是很困难的，因此其发展相对试验研究较滞

5、后。要较好地预测BVI噪声，精确地计算BVI过程中桨叶表面的非定常载衙是关键。早期非定常气动力的计算一般采用升力线理论，并在其中加入突变响应和失速模型等。然而由于不能计算跨声速、叶端三维效应等非线性影响和缺少精确的旋翼尾迹模型，使得计算结果不理想。近年来计算流体力学(CFD)方法开始广泛运用于旋翼空气动力学的计算和研究，正逐渐替代线性气动力模型[4]。目前基于全流场模拟的计算方法通过求解具有一定涡捕捉能力的Navier．Stokes方程或Euler方程以得到流场空间的尾迹涡结构，多片桨叶间的相对运动则以运动嵌

6、套网格方法来描述[s_6]。然而计算方法中固存的数值耗散以及嵌套网格交接面插值误差都会使得旋翼的尾迹快速耗散。虽然可以通过加密网格采用高收稿日期：2010—04—09；退修日期：2010—06—22；录用日期：2010—09—21：网络出版时问：2010-”一”09：09网络出版地址：www．cn¨net／kcms／deta¨／11．1929．V．20101111．0909．005．hlmID引：CNKI：”一1929／V．2们0”11．0909．005基金项目：闻家自然科学基会(10872094)*通讯作者

7、．Tel，：025—84892117E哪a¨：ghxu@舢aa．e由．∞萼l用格武l

8、电秀杰．樊枫．徐国华．等．基于混合acD方法的旋翼桨．涡干扰噪声计算[山．航空学报．2011．32t1)；91—98．s幅Yon昏潞．FanF∞g．XuGuobua．eta

9、÷Rotorblade-vonexintemctionno谘e口刚ic“onbas酣uponh啦{dcFD￡nAdaAe啪auncaelAslronauticas’n{ca．20¨．32‘1)；9t·98．阶格式和nj6应州jl}}等方法柬减小数值牦教．

10、fH是搀垲碴捕捉能力仍硅不足。此外求俳所需的巨大If葬资源和时间也瞳褂全洫场数值模拟方法难以适Ⅲr旋翟l5¨州艇的研究。为r缩短{1葬I叶问．丰文发展r种新的甚丁t’Fn和flm足迹分析盯混台仆荫方法．杠陔方法r1；川绕桨⋯网惭的j

11、辣域山通过求解E”lcr方州来楠提流场中凇畦．人姐角火建和颦尖i维敏戊等m线性物理现象以及近尾迹的影响：H他浆⋯和近尾址“基J‘拉格朗日方法描述的自f}l尾迹分拆点小．