桨叶气动外形对直升机桨―涡干扰噪声影响研究

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　　摘要：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栽荷的计算。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-I/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一涡干扰噪声特性。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。
　　关键词：直升机；桨-涡干扰；旋翼噪声；耦合EuIerian-Lagrangian方法；桨叶外形
　　中图分类号：V211.52 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2015）02-0235-08
　　直升机工作时，旋翼桨叶始终处于当前以及其他桨叶产生的螺旋型桨尖涡中，在悬停、下降等飞行状态下会出现桨叶与尾迹涡靠近相遇的情况，形成特有的“桨-涡干扰”（Blade-vortex interaction，BVI）现象，干扰会使得桨叶气动载荷产生脉动，而导致旋翼、机身出现较高的噪声和振动水平，从而对旋翼结构、直升机飞行操纵、声可探测性以及乘客的舒适性等产生很大的影响。
　　旋翼的桨尖区域，既是流场的高速区，又是桨尖涡的形成和逸出处，因而桨尖形状对旋翼气动载荷和气动噪声都会带来影响。发展新型桨尖最初是为了改善跨音速特性、提高旋翼气动性能。随着对旋翼噪声的日益关注以及对降低噪声的迫切要求，研究者开始关注桨尖形状对旋翼噪声的影响，以期能找到兼具高性能和低噪声的设计方法。在文献中，研究人员开展了新型桨尖对旋翼旋转噪声、高速脉冲噪声影响的理论分析和数值模拟，给出了一些旋翼降噪设计可参考的结论；在文献中，研究者通过风洞和外场试验，研究了桨尖形状、旋转速度等对旋翼性能、噪声特性的影响。然而至目前，有关桨尖形状对BVI气动特性和噪声特性影响的研究工作则开展得较少。关于桨尖旋翼对BVI噪声的降噪机理、降噪效果尚不清楚，有待深入研究。
　　BVI噪声的本质仍是载荷噪声，准确地捕捉桨叶表面的气动力分布是计算噪声的关键。鉴于尾迹涡在干扰现象中的重要性，先前很多研究中采用了基于拉格朗日描述的自由尾迹方法。结算结果表明，尾迹方法可较好地预测BVI噪声的传播特性，但在声压级数值上存在一定误差。近年来，一些研究者尝试将CFD方法用于BVI噪声的研究。虽然此类方法可以通过加密网格、采用高阶格式和自适应网格等方法来减小数值耗散，但尾迹捕捉能力仍显不足，且计算资源消耗和工作量过大。鉴于此，本文在先前研究工作的基础上，引入课题组发展的耦合欧拉一拉格朗日旋翼气动计算方法和基于FW-H方程的噪声预测方法，深入开展新型桨尖对BVI噪声特性的影响研究。文中针对具有后掠、前掠、尖削和下反桨尖形状的旋翼进行了研究，通过分析干扰距离、干扰方式及涡强度的变化，进而研究其对噪声特性的影响机理，获得了一些对于旋翼降噪设计有实际意义的结论。
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