剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep252013V01．34No．92100—2109ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educahkxb@buaaedu．ca剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究樊枫，史勇杰*，徐国华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：建立了一个基于计算流体力学(CFD)／Fw—H(FfowcsWilliams—Hawkings)方程的预测剪刀式尾桨悬

2、停状态气动性能和噪声特性的分析方法。该方法首先采用CFD方法对尾桨流场进行求解，并应用嵌套网格技术对流场空间进行离散。控制方程采用非惯性坐标系下的Navier-Stokes方程，空问方向采用二阶迎风格式(Roe格式)进行求解，时间方向采用隐式LUSGS(Lower-UpperSymmetricGauss—Seidel)格式进行推进。在此基础上，采用Fw—H方程将尾桨噪声声压扰动传播至远场，以获得尾桨的噪声特性。应用该方法对两种剪刀式尾桨构型(“L”构型和“U”构型)进行了计算研究，对比分析了剪刀式尾桨在气动力

3、和噪声方面与常规尾桨的差别，以及两个重要构型参数(剪刀角和轴向间距)对剪刀式尾桨气动力和噪声的影响规律。计算结果表明，构型参数对剪刀式尾桨气动力和噪声特性影响很大，合理地选择构型参数可以降低尾桨噪声水平。关键词：剪刀式尾桨；气动特性；噪声特性；FW—H方程；计算流体力学中图分类号：V211．52文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)09—2100—10尾桨是单旋翼带尾桨式直升机的关键部件之一，其性能的好坏直接影响直升机的整体性能。提高尾桨的气动性能和改善尾桨的噪声特性能够为提高直升机整体性能带

4、来好处。剪刀式尾桨是一种有别于常规构型的新构型尾桨。这种尾桨由沿其旋转轴的上、下两副桨叶构成，两副桨叶为非垂直布置，并且存在一定的轴向间距。先前的研究表明剪刀式尾桨与普通形式尾桨相比具备一定的降噪能力口]，并且其声压信号与常规尾桨有明显的差异，这可以降低直升机的可探测性。因此，剪刀式尾桨常用于武装直升机，例如美国著名的AH一64“阿帕奇”武装直升机(尾桨间距角55。／125。)和俄罗斯Mi一28“浩劫”武装直升机(尾桨间距角为36。／144。)等。由于剪刀式尾桨各片桨叶不是等距分布，相邻桨叶之间的距离变得更小

5、，气动干扰会更加强烈。同时，剪刀式尾桨还存在一定的轴向间距，上面一副桨叶产生的桨尖涡有可能直接打到后面相邻的桨叶，从而产生强烈的桨一涡干扰现象。因此，相比于普通尾桨，剪刀式尾桨的流场和噪声特性更加复杂。据检索到的资料所知，国外关于剪刀式尾桨的研究进行的不多，且大都是采用试验方法进行研究口。5]。文献Eli开展了针对剪刀式构型尾桨的部分气动性能和噪声试验，试验结果表明剪刀式构型无论在气动性能还是噪声特性方面都优于常规构型；文献E4]和文献E5]则提出了直升机主旋翼桨叶不等距角布置的设计方法，并将设计的旋翼安装在

6、BELL一427模型直升机上进行收稿日期：2012—10—15；退修日期：2013-01-09；录用日期：2013-01—21；网络出版时间：2013-03-1213：39网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V20130312．1339．002．htmI基金项目：重点实验室基金(9140C400201110C4002)；江苏省高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者Tel．：025—84892117E-mail：shiyongjie@nuaa．edu．cn引搠格武tFanF。

7、ShiYJ．XuGHComputationalresearchonaerodynamicandaeroacousticcharacteristicsofscissorstail-rotor．nhoverjActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(9)：2100-2109樊稠，史勇菸，绦国华．剪刀式层棠卷斧钟苍气动力及噪声特性计算研究．航空学报，2013，34(9)：2100-2109．樊枫等：剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究试验研究，最终得出的结论是非等

8、距角布置的旋翼在气动性能和噪声特性方面都没有明显的优势。通过深入分析后指出这与主旋翼转速低有关，并认为非等距角设计在转速较高的尾桨上减噪的潜力更大。2005年Brentner等[63采用WOPWOP气动噪声分析程序对文献E4]设计的非等间距旋翼的噪声特性进行了分析，由于气动分析方法中采用的是升力线模型，不能很好地模拟非等间距旋翼间的复杂气动干扰，因而研究中仅给出了噪声频谱的定性结果。在国内，主要是南