基于涡限制法的旋翼气动噪声计算

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252011V01．32No．122204．2212ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)12-2204—09基于涡限制法的旋翼气动噪声计算许建华，宋文萍*，韩忠华西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室，陕西西安710072摘要：在直升机旋翼流动的数值模拟中，流动求解精度对旋翼气动噪声的预测有着重要影响。采用中心格式有限体积法求解可压缩Euler方程数值模拟旋

2、翼绕流，并采用基于FfowcsWilliams—Hawkings(Fw—H)方程的声类比方法计算旋翼气动噪声。为了抑制中心格式的数值耗散，保持机翼翼尖以及旋翼桨尖的尾涡结构，引入了涡限制法。通过对ONERAM6机翼定常绕流、UH—lH和Caradonna旋翼悬停绕流以及AH-I／OLS旋翼前飞绕流的数值模拟，验证了涡限制法可以有效提高粗网格的尾涡捕捉精度，从而提高旋翼气动噪声的计算精度。结果表明，对于不存在尾迹涡的旋翼无升力状态，涡限制法仍然可以提高旋翼气动噪声的预测精度。此外，进一步研究了涡限制系数对数值计算的稳定性和计算结果的影响，给出了临界涡限制系数随网格量、桨尖马赫

3、数、桨距角和展弦比的取值规律。关键词：涡限制法；旋翼；气动噪声；Euler方程；涡流动；临界涡限制系数中图分类号：V211．3文献标识码：A直升机旋翼是直升机的重要部件，其设计涉及气动、气动噪声、材料和结构等方面。其中，在进行旋翼桨叶气动设计时，不仅要有良好的气动性能，还要尽可能降低辐射噪声。准确预测旋翼的气动噪声是降噪设计的前提。旋翼气动噪声预测从最初的经验公式到理论估算，已发展到今天的数值计算。目前比较成熟的远场噪声计算是基于Kirehhoff或FfowcsWilliams—Hawkings(FW—H)方程的声类比方法n{]，该方法的计算精度在很大程度上取决于物面附近近

4、场流动的求解精度。随着计算机技术的快速发展，旋翼绕流数值模拟的控制方程已从速势方程、Euler方程发展到雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方程，甚至出现了大涡模拟[4。5](LES)等。目前，采用RANS方程结合声类比方法预测旋翼气动噪声的技术已经比较成熟[61]，但是对于旋翼绕流，要想准确地模拟复杂的桨尖涡等涡流结构，必须有足够密的网格，这大大地增加了计算量。本文采用Euler方程作为流动控制方程，可在较粗的网格上进行流动求解。为了较好地保持尾涡流动结构，在原有的Euler方程中引入涡限制项。相对于Navier-Stokes方程，Euler方程的计算量要小很多

5、。涡限制法最早是由美国田纳西州立大学的SteinhoffL81于20世纪90年代初针对不可压流动提出的，经过近20年的发展，国外其他研究人员将其推广到可压缩流动中【9。1¨，并在许多旋涡流动数值模拟中得到广泛的应用[12-13]。2008年，Butsunton和Jameson[14]在旋翼流动数值模拟中引入涡限制法，很好地保持了尾涡结构，提高了数值模拟精度。首先以ONERAM6机翼为例，初步验证了涡限制法对保持涡流动结构的作用，并研究了限收稿日期：2011-03—18；退修日期：2011-05．19；录用日期：2011-08—29；网络出版时间：2011-09—0611：2

6、3网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110906．1123．002．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110906．1123．002基金项目：翼型叶栅空气动力学国家蕾点实验窀基金(9140C4201020802)*通讯作者．Tel．：029·88491144E—mail：wpsong@nwpu．edu．Crl戤用格武

7、许建华，采文萍，韩忠华．基于漏限制法的旋翼气动噪声计算[J]．航空学摄。2011，32(12)：2204-2212．XuJianhua，SongWenping，／-／anZhonghua．Pr

8、edictionofaeroacousticnoiseforhelicopterrotorsbasedonvorticityconfinementmethod[J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。2011．32(12)：2204-2212．许建华等：基于涡限制法的旋翼气动噪声计算2205制系数对数值计算的稳定性和汁算结果的影响。然后探讨涡限制法对UH—lH旋翼和Caradonna旋翼的悬停流场及气动噪声预测的影响。最后将涡限制法应用于AH一1／()I。s旋翼前飞噪声坝测，并