低HSI噪声旋翼桨尖外形优化设计方法

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1、航空学报May252015V01．36No．51442-1452ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．CFIhkxb@buaa．educrlDOI：10．7527／$1000—6893．2014．0208低HSI噪声旋翼桨尖外形优化设计方法朱正，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，南京210016摘要：建立了一套基于计算流体力学(CFD)／FW—H—pds方程(FfowcsWilliams—Hawkingsequationswithpenetrable

2、datasurface)的气动噪声预估技术和组合优化算法的低噪声旋翼桨尖平面外形设计方法。首先，采用积分形式的可压雷诺平均NavierStokes(RANS)方程作为旋翼流场求解控制方程，围绕旋翼流场的网格采用嵌套网格方法生成。在优化过程中，桨叶网格生成采用提出的高效参数化的网格自动生成方法。在建立的CFD方法求解基础上，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(HSI)噪声。然后，以降低旋翼HSI噪声为目标，以旋翼悬停气动性能为约束，提出具备前掠一后掠～尖削等组合特征的桨尖外形方案并进行优化分析。将基于拉丁超立方(I。HS)方法和径向基函数(RBF)的代

3、理模型方法耦合到遗传算法过程中，建立了一种高效的组合优化算法。在当前的计算状态下，优化后的桨尖外形的负压峰值相比于矩形桨叶降低了58．4％，优化后的桨叶有效地减弱了旋翼桨尖区域的跨声速“离域化”现象，因此可以降低旋翼HSI噪声特性，同时可以减弱旋翼桨尖涡强度达30％，旋翼悬停性能提高了2％～3％。关键词：旋翼；高速脉冲噪声；桨尖外形；代理模型；遗传算法；计算流体力学；FW—H方程中图分类号：V211．52文献标识码；A文章编号：1000—6893(2015)05—1442—1i旋翼气动噪声是直升机噪声研究领域中重要的研究对象[1]。直升机高速平飞时，会产生强烈的脉冲噪声，而高速脉冲(High

4、-SpeedImpulsive，HSI)噪声占据主导地位[2]。HSI噪声主要是由前行桨叶表面产生的激波引起，对直升机远场有着严重干扰。随着军用直升机对声隐身能力要求的提高和适航条例对民用直升机噪声水平的严格限制，旋翼降噪技术已经成为直升机技术研究领域内的最新热点之一。为了在提高旋翼气动性能的同时，改善旋翼的噪声特性，国内外的许多研究人员在新型桨尖旋翼的气动设计方面开展了一系列创造性的研究工作睁8I，许多先进的旋翼桨尖外形得到了实际应用。UH一60A“黑鹰”直升机和AH一64“阿帕奇”直升机均采用了桨叶尖部后掠的气动外形设计，研究表明这一设计可以有效抑制激波产生，对提高旋翼气动性能有利。ON

5、ERA(theOfficeNation—ald’EtudesetdeRecherchesAerospatiales)研究发现采用抛物线型的曲线外形设计可以获得良好的噪声特性。最新的BERP(BritishExperimen—talRotorProgram)系列桨尖[4]和CLOR(ChinaLaboratoryofRotorcraft)系列[53等桨尖则在后掠尖削的基础上均采用了前掠一后掠组合的桨尖设计，在降低噪声的同时还能获得良好的气动性能。为了获得气动性能和噪声特性俱佳的桨尖外形，本文综合考虑国内外先进的桨尖外形特点，提收稿日期：2014—06—05；退修日期：2014—08—09；录用

6、日期：2014—09·02；网络出版时间：2014—09—1715：33网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／10．7527／81000—6893．2014．0208．html基金项目：国家自然科学基金(11272150)；江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者Tel：025—84893753E—mail：zhaoqijun@nuaaeduOil引用格式：ZhuZ，ZhaoQJOptimizationdesignmethodforrotorblade—toshapewithlowHSlnoisecharacteristics[J]．ActaAeronauticaet

7、AstronauticaSinica．2015．36(5)：1442-1452,朱正，招富军低HSI噪声旋翼桨尖外形侥化设计方法【J]航空学报．2015，36(5)11442-1452朱正等：低HSI噪声旋翼桨尖外形优化设计方法出一种组合前掠一后掠一尖削的新桨尖外形设计方案，拟通过优化方法找到一种组合规律，以获得更优的旋翼气动和噪声特性。在旋翼桨叶外形优化设计的基础分析方面，早期的模拟方法主要采用动量理论、升