基于CFD方法的直升机旋翼桨-涡干扰气动和噪声特性研究

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旋翼桨-涡干扰气动载荷和噪声的数值计算是直升机空气动力学和气动声学领域具有相当挑战性的研究课题。本文开展了适用于桨-涡干扰（BVI）分析的旋翼流场计算流体力学（CFD）方法及混合方法研究，发展了基于流场数值模拟和声学时域公式的旋翼桨-涡干扰气动噪声的计算方法和程序。分别针对旋翼与自由涡的桨-涡干扰、旋翼与自身涡的桨-涡干扰进行了数值计算，同时，进行了新型桨尖对桨-涡干扰气动噪声特性的影响分析。主要工作包括以下几个方面：作为前提和背景，本文首先阐述了论文的研究目的，概述了旋翼计算流体力学、混合CFD方法，旋翼桨-涡干扰气动特性、旋翼桨-涡干扰噪声特性等研究方面的国内外现状，指出了现有研究中存在的不足及难点，提出了本文拟采用的研究方法和内容。基于运动嵌套网格技术，本文首先建立了一种能适用于悬停和前飞状态旋翼流场分析的数值计算方法，并进行了相关算例的验证。针对网格对计算结果的影响进行了分析，提出了改进方案。为进行桨-涡干扰噪声的分析，建立了一个基于Farassat 1A声学时域公式的旋翼气动噪声预估模型。在该模型中，将CFD计算得到的桨叶表面压强作为声源输入，以提高计算精度。应用所建立的流场和噪声计算模型，深入地进行了二维翼-涡干扰气动和噪声的机理分析；在此基础上，进一步开展了三维状态下旋翼与自由涡干扰的气动和噪声特性的研究，并进行了平行和斜桨-涡干扰状态下的参数影响及跨音速对BVI的影响分析，得到了一些新的结果。为显著提高计算效率，本文将CFD和尾迹方法相结合，发展了两种新的基于单桨叶的混合CFD方法，称之为HCM1和HCM2方法。为进一步避免串行计算引起的计算效率下降，混合方法中的旋翼流场计算和尾迹分析采用了并行计算策略。分别以Caradonna-Tung和Helishpae 7A旋翼为算例，进行了悬停和前飞状态的流场计算，并与可得到试验数据进行了对比，验证了方法的有效性。同时，还进行了混合CFD方法之间及与传统CFD方法的对比，表明了混合方法在计算时间和效率方面的优越性，并指出了两种混合方法的各自特点。在发展的混合CFD方法基础上，并耦合配平分析，又建立了一个新的适用于旋翼与自身涡桨-涡干扰气动特性和噪声特性分析的模型。基于该模型，以AH-1/OLS旋翼以算例，着重分析了旋翼桨-涡气动载荷和噪声的特性；在此基础上，开展了桨盘迎角、前进比、拉力系数和桨尖马赫数等参数对桨-涡干扰特性的影响，得出了对旋翼设计有实际指导意义的结论。最后，进行了后掠、前掠、尖削和下反新型桨尖旋翼在BVI状态下的气动噪声计算，着重针对干扰方式的改变以及由此引起的BVI气动和噪声特性的影响进行了分析。

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作者
史勇杰;
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作者单位

南京航空航天大学;

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授予单位南京航空航天大学;
学科飞行器设计
授予学位博士
导师姓名徐国华;
年度 2010
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类基础理论及试验;光电子技术、激光技术;
关键词
直升机; 旋翼桨; 涡干扰; 气动; 噪声;

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