螺旋桨气动/噪声多目标优化设计

针对某大尺寸螺旋桨开展气动/噪声多目标优化设计。基于升力面理论,开展了螺旋桨气动性能计算,通过与试验结果对比,验证了计算结果的准确性;基于Hanson频域远场噪声计算方法,开展了螺旋桨远场噪声评估;以螺旋桨桨叶沿展向分布的弦长、安装角、弯和掠为设计变量,在不改变螺旋桨桨叶数、半径和转速的情况下,以螺旋桨气动性能不降低和远场噪声降噪最大为优化目标,开展螺旋桨的气动与噪声联合优化设计,优化设计结果与高精度算法的计算结果进行了对比验证。优化结果表明,在不降低螺旋桨气动性能的情况下,优化设计的螺旋桨在1阶离散分量处的远场气动噪声降低5dB,2阶和3阶离散分量处也有明显的降噪效果。     

基于对飞行员工效影响的旋翼螺旋桨流动及噪声分析

倾转旋翼飞机的主要噪音来源于螺旋桨,而噪声对飞行员工效具有非常大的影响。本文在分析噪音对飞行员工效影响的基础上,使用计算流体力学(CFD)方法对优化设计的旋翼螺旋桨流场进行了计算分析。通过数值计算得到了旋翼螺旋桨的拉力特性、功率特性等气动性能参数。螺旋桨的拉力系数CT、功率系数CP都随着进速比J的增大而减小,螺旋桨的推进效率随着进速比的增大,先增大后减小,在设计点附近,螺旋桨推进效率达到0.87以上。采用Lowson方法对螺旋桨的辐射噪声进行了初步分析,随着螺旋桨转速的提高,各方位总声压级指向性一致,并有所提高。     

基于点源模型的螺旋桨空化噪声频域预报

以点源模型为基础,将螺旋桨桨叶空化体积等效为旋转单极源,将旋转单极源离散为均匀分布在旋转轨迹上的有限个固定声源,结合边界元方法可以在频域内计算任意边界条件下的螺旋桨空化噪声.以4148螺旋桨为对象,在已知单个桨叶空化体积的条件下,首先基于点源模型计算了单个桨叶的空化噪声,计算结果同Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H)方程计算结果较为相符;然后计算了整桨空化噪声,可见螺旋桨旋转效应对空化噪声的近场声指向性影响较大,对远场声指向性影响可以忽略.     

航空螺旋桨振动特性影响因素

选取某航空活塞发动机的两桨叶定距螺旋桨为分析对象,基于通用有限元软件平台建立螺旋桨整体结构、单个桨叶结构的三维有限元模型。根据航空活塞动力装置性能参数,计算出螺旋桨在地面起飞状态下受到的气动、离心载荷,再利用有限元软件计算了螺旋桨整体结构、单个桨叶结构在无外载荷作用下的、只有气动载荷作用的、只有离心载荷作用的、气动和离心载荷同时作用的自振频率和振型。通过对计算结果的分析,发现了气动载荷、离心载荷、形状（整体或单个桨叶）因素对频率、振型的影响规律,对其他与气体有相互作用的旋转部件的振动特性计算和分析具有重要的指导意义。     

变距旋翼无人机前飞气动性能分析与研究

新型旋翼气囊复合动力无人飞行器主要原理是借助四旋翼与空气静升力提供升力;在该无人机总体设计方案的基础上,对应用变距旋翼技术进行前飞驱动时的气动性能展开分析研究。对变距旋翼模型采用标准κ-ε湍流模型、RNG模式和主导漩涡流模式;并通过数值模拟研究不同转速、桨距角在前飞状态下的气动特性。同时在地面风洞试验台对在前飞状态下模型旋翼进行了试验研究;并且试验结果与计算结果基本吻合。得出该无人机在巡航状态下,螺旋桨转速在4 000 r/min,桨距角14°具有最佳的螺旋桨效率。为新型旋翼气囊无人飞行器的整体优化以及工程应用提供了参考依据。     

推进式螺旋桨振动应力特性飞行试验与分析

根据某型飞机单发推进式螺旋桨结构与载荷特征,利用有限元分析确定桨叶振动应力危险部位,设计加装无线电遥测系统进行应变测试,并根据螺旋桨振动应力的影响因素确定飞行试验科目。测试系统装机后开展不同条件的飞行试验,获得了螺旋桨在典型工作状态下的静应力和动应力。分析表明静应力基本随高度、速度和滚转角的增大成增大趋势,但在高度5 000 m静应力随滚转角的变化趋势并不明显,动应力随速度增大明显增大,随高度和滚转角增大缓慢增大;通过Compell图和多状态频谱分析发现慢车状态1阶动频与转速2倍频接近,存在共振风险,并给出了改进建议。     

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟

针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟。首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律;在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果;最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响。研究结果表明：动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数;螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大;对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求;攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线。     

螺旋式S型风轮气动性能试验研究

为了克服传统S型风轮扭矩波动大的缺点,提出了一种偏转180°螺旋式S型风轮,在低速风洞进行风洞气动性能试验.风轮的旋转直径420mm、高度680mm、偏心距100mm,测量了风轮在风速5m/s不同相位角对应的静扭矩以及风速10m/s不同负载下的转速与扭矩.通过对实验数据分析得出:螺旋式S型风轮始终产生促使转动的正的扭矩,叶尖损失造成静扭矩不随相位角恒定分布,但是静扭矩波动较小;风轮转速波动幅度随着尖速比的增大而减小,扭矩波动幅度随着尖速比的增大而减小;风轮扭矩系数是尖速比的一次函数且随着尖速比增大而减小,功率系数是尖速比的二次函数且截距为零,功率系数随着尖速比增大先增大后减小.     

风速对小型旋翼无人机螺旋桨的影响分析

为研究风速对小型旋翼无人机的气动特性的影响,在中国民航大学风洞试验室模拟不同来流下无人机的飞行状态,通过动力测试系统测量螺旋桨的拉力、扭矩、系统效率、桨力效等参数,并分析了风速对螺旋桨性能参数的影响。并进行了计算流体力学(CFD)数值模拟,计算了T-MOTOR直径558mm的碳纤维螺旋桨,并与试验结果进行对比验证模型的有效性。通过试验与数值模拟分析风速影响下小型旋翼螺旋桨不同风速与不同转速的参数变化。结果表明,数值模拟与风洞试验具有一致性,其中扭矩误差在5%以内,拉力误差在13%以内,且风速对小型旋翼无人机动力系统参数具有极大的影响,对无人机飞行的安全性具有严重的威胁。通过研究可为小型旋翼无人机的优化与风速对适航安全提供参考。     

航空转笼喷头转速及雾化性能试验

为了使转笼喷头的雾滴粒径与作业要求更好地契合,进一步提高雾滴的沉积特性、提升防治效率,研究了影响作业性能的关键因素,包括转笼转速和雾化性能(雾滴粒径分布).在高速风洞中建立转笼喷头转速测量系统,获取不同风速、桨叶安装角度和桨叶长度条件下的叶片式转笼喷头转速数据,进而分析各因素对转笼喷头转速的影响规律;建立电驱动转笼喷头雾滴粒径试验系统,测量了2种电动式转笼喷头CYD-1和CYD-2在不同转笼转速、喷雾流量条件下的雾滴粒径,利用SPSS软件分析转笼转速、喷雾流量和转笼直径对雾滴粒径的影响规律,并根据试验结果建立回归模型.结果表明:转笼转速随着风速增大而增大,随着桨叶角度的增大而减小,随着桨叶长度的增大而增大,且2种叶片式转笼喷头转速在100～11 000 r·min~(-1)均有分布;对转笼喷头雾滴粒径的影响由大到小为转笼转速、喷雾流量、转笼直径;得到了多元线性回归方程,比较拟合曲线与实际数据的差异,验证了转笼喷头雾滴粒径多元线性回归模型的可行性.     

桨叶尖削对高空无人机气动性能影响

螺旋桨在临近空间高速运转时,由于工作环境大气物理特性,桨尖区域受空气压缩性影响严重,使螺旋桨气动性能降低。为了改善高空螺旋桨的高速性能,将翼尖修形的思想应用于高空无人机螺旋桨上,分别对螺旋桨桨尖区域进行不同角度的尖削。计算模型应用多参考系模型和周期性边界条件,对不同尖削桨叶运行状态进行模拟并对桨叶气动性能进行计算,根据计算结果分析桨叶尖削对螺旋桨气动性能的影响。研究结果表明：对螺旋桨桨尖区域进行尖削,可以减缓桨尖空气压缩性影响,减小桨尖阻力,进而提升螺旋桨气动性能,且当尖削角度α=70°时,螺旋桨的高速性能最佳,其气动效率相比与原始桨叶提升约5%。     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结构能有效降低风力机的气动噪声,其中叶尖夹角为90°的双叉式叶尖结构降噪性能最优.     

喷水推进器与螺旋桨工作特性的差异及分析

采用计算流体动力学（CFD）方法模拟了某典型喷水推进器和螺旋桨周围流场,得到流场随进速比的变化规律.借助于机翼理论,从叶元体受力角度分析了进速比对喷水推进器和螺旋桨负荷的影响.结果表明：从设计进速比到零进速比,喷水推进器叶片来流攻角变化不大,同一半径处攻角增大不到2°,力矩系数增幅仅在5%以内;而螺旋桨同一半径处的攻角可增加10°以上,零进速比时的力矩系数是设计进速比时的2.16倍,这说明即使在低进速比条件下,驱动喷水推进器的主机也不易超负荷,而驱动螺旋桨的主机则恰好相反.     

泵喷推进器空化特性数值分析

利用基于Rayleigh-Plesset方程均质多相模型和滑移网格技术,对某泵喷推进器进行了三维全通道定常湍流计算,得到了其在空化条件下的性能特征.分析了转速、空泡数和进流速度对泵喷推进器的空化特性的影响.计算结果表明,泵喷推进器叶片发生空化时,推进器的推力和转矩明显下降,进而引起敞水效率的降低且降低幅度达15%以上;同一空化数下,随着转速的增加,泵喷推进器叶片的空化现象趋于明显;同一转速下,空化数越小,空化现象越显著,当空化数大于某一个特定值时,叶片的空化现象消失.     

孔型及倾斜角对穿孔叶片气动和噪声特性的影响

针对叶片尾缘穿孔对气动及噪声特性的影响,基于NACA65019叶片,在雷诺数Re=2×105条件下,采用大涡模拟和FW-H方法研究孔型和倾斜角对叶片气动特性、绕流流场和噪声特性的影响规律,并选择降噪效果较好的穿孔模型应用到小型轴流风机上,对穿孔风机进行试验。结果表明：当穿孔倾斜角为30°时,在一定攻角范围内(α≤10°),圆柱型穿孔叶片气动性能最接近原始叶片,并且该穿孔叶片总声压级降低可达9 dB。这是由于穿孔叶片有效抑制了涡量沿叶片表面法向的发展,加速了尾缘涡沿流动方向的能量衰减,且穿孔形成的射流使大尺度的涡破碎形成小尺度的涡,衰减波动力,降低了气动噪声。     

叶尖结构变化对风力机噪声源分布特性的影响

为探究由水平轴风力机叶尖结构变化所造成的风力机噪声源分布特性的规律,利用圆盘声阵列系统对不同叶尖结构风力机采用近场声全息技术和远场波束形成技术进行噪声源识别.采集得到运行中的水平轴风力机在额定工况下的噪声信号,分析了噪声源声压级变化情况以及风力机噪声声源位置的分布规律.结果 表明:叶尖结构变化可以有效降低风力机的气动噪声,改变了风力机叶尖噪声的强度和产生位置,在一定程度上降低了叶尖噪声.通过对风力机叶尖结构的优化设计可以在不损害风力机气动性能的同时,实现较好的降噪效果.