基于粘性涡方法的电控旋翼气动特性及桨涡干扰噪声研究

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旋翼噪声是直升机外场噪声的最主要来源。当直升机处于斜下降或机动飞行状态,旋翼桨叶与桨尖涡相互干扰会诱导产生显著的桨涡干扰(BVI)噪声,人耳对该噪声十分敏感。为满足现代直升机日益提高的外场噪声控制要求,须采取有效手段对直升机旋翼BVI噪声加以控制。电控旋翼作为一种主动旋翼系统,由于采用后缘襟翼系统取代了自动倾斜器,在实现主操纵的同时,还能够十分便利地通过主动控制降低旋翼BVI噪声。本文即以电控旋翼BVI噪声控制为背景,从BVI噪声产生机理出发,围绕电控旋翼的气动力建模、气动特性与尾迹结构分析、BVI噪声特性及控制等问题开展相关研究。本文主要研究工作包括以下部分:(1)基于粘性涡粒子方法和Weissinger-L桨叶升力面模型建立了电控旋翼诱导入流模型。在此基础上,通过Leishman-Beddoes模型和Hariharan-Leishman模型计及了电控旋翼桨叶的非定常气动载荷。进一步,采用4阶Runge-Kutta方法直接求解电控旋翼桨叶变距运动方程,以考虑桨叶高阶谐波及非谐波俯仰运动,并发展了一套“松弛差量法”配平策略以减少配平迭代过程中粘性涡粒子尾迹模型的计算次数。最后,基于常规旋翼算例和改进型电控旋翼悬停状态操纵响应试验,验证了所建模型的正确性。(2)电控旋翼气动特性和尾迹结构研究。重点分析了桨叶预安装角及前进比对电控旋翼襟翼配平操纵量、诱导入流、桨盘载荷和尾迹涡量的影响。仿真结果表明,当襟翼配平操纵量较大时,电控旋翼尾迹流场中不仅有涡量集中的桨尖涡,还存在较强的襟翼翼尖涡。当前飞速度较大时,由于前行侧和后行侧桨叶相对空气运动速度的不对称性增强,电控旋翼襟翼的周期变距操纵量会导致桨叶变距运动存在较强的2/rev谐波成分;并且桨尖涡和翼尖涡会形成强度相当、涡量方向相反的卷曲涡。此外,不同前进比时配平计算表明,采用本文发展的“松弛差量法”配平策略可显著提高配平迭代的计算效率。(3)结合电控旋翼气动计算模型和FW-H方程,建立了电控旋翼BVI载荷及噪声特性分析模型,并通过不同算例验证了电控旋翼BVI载荷及噪声计算方法的正确性。在此基础上,对比分析了电控旋翼和常规旋翼BVI载荷及噪声特性,研究了桨叶预安装角对电控旋翼BVI特性的影响规律,并进行了机理分析。研究结果表明,电控旋翼前行侧BVI现象主要由襟翼翼尖涡与桨叶相互干扰引起,由于襟翼翼尖涡作用区域小于旋翼桨尖涡作用区域,电控旋翼桨叶表面BVI出现的展向范围较常规旋翼要小。此外,不同预安装角时电控旋翼尾迹涡量强度的差异是导致BVI载荷及噪声差异的主要原因。(4)开展了襟翼非谐波输入用于降低电控旋翼BVI噪声的仿真研究。根据电控旋翼BVI现象产生机理,采用第二象限襟翼非谐波输入降低其前行侧BVI噪声,并分析了不同输入波形、幅值对样例电控旋翼BVI噪声峰值和指向性的影响,揭示了襟翼非谐波输入的降噪机理。在此基础上,对比了襟翼非谐波输入和谐波输入对样例电控旋翼前行侧BVI噪声的控制效果。随后,研究了第三象限襟翼非谐波输入对样例电控旋翼后行侧BVI噪声的影响。结果表明,襟翼非谐波输入主要通过降低前行侧和后行侧尾迹涡强实现BVI噪声控制,但会导致其它区域旋翼噪声增加;襟翼非谐波输入对桨涡干扰距离影响很小,而襟翼谐波输入不仅对尾迹涡量强度有影响,对前行侧和后行侧桨涡干扰距离也有较大影响。
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