低HSI噪聲旋翼槳尖外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

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1、航空學(xué)報(bào)May252015V01．36No．51442-1452ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．CFIhkxb@buaa．educrlDOI：10．7527／$1000—6893．2014．0208低HSI噪聲旋翼槳尖外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法朱正，招啟軍*南京航空航天大學(xué)直升機(jī)旋翼動力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016摘要：建立了一套基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)／FW—H—pds方程(FfowcsWilliams—Hawkingsequationswithpenetrable

2、datasurface)的氣動噪聲預(yù)估技術(shù)和組合優(yōu)化算法的低噪聲旋翼槳尖平面外形設(shè)計(jì)方法。首先，采用積分形式的可壓雷諾平均NavierStokes(RANS)方程作為旋翼流場求解控制方程，圍繞旋翼流場的網(wǎng)格采用嵌套網(wǎng)格方法生成。在優(yōu)化過程中，槳葉網(wǎng)格生成采用提出的高效參數(shù)化的網(wǎng)格自動生成方法。在建立的CFD方法求解基礎(chǔ)上，采用基于可穿透旋轉(zhuǎn)積分面的魯棒性較好的Fw—H—pds方程來求解旋翼高速脈沖(HSI)噪聲。然后，以降低旋翼HSI噪聲為目標(biāo)，以旋翼懸停氣動性能為約束，提出具備前掠一后掠～尖削等組合特征的槳尖外形方案并進(jìn)行優(yōu)化分析。將基于拉丁超立方(I。HS)方法和徑向基函數(shù)(RBF)的代

3、理模型方法耦合到遺傳算法過程中，建立了一種高效的組合優(yōu)化算法。在當(dāng)前的計(jì)算狀態(tài)下，優(yōu)化后的槳尖外形的負(fù)壓峰值相比于矩形槳葉降低了58．4％，優(yōu)化后的槳葉有效地減弱了旋翼槳尖區(qū)域的跨聲速“離域化”現(xiàn)象，因此可以降低旋翼HSI噪聲特性，同時(shí)可以減弱旋翼槳尖渦強(qiáng)度達(dá)30％，旋翼懸停性能提高了2％～3％。關(guān)鍵詞：旋翼；高速脈沖噪聲；槳尖外形；代理模型；遺傳算法；計(jì)算流體力學(xué)；FW—H方程中圖分類號：V211．52文獻(xiàn)標(biāo)識碼；A文章編號：1000—6893(2015)05—1442—1i旋翼氣動噪聲是直升機(jī)噪聲研究領(lǐng)域中重要的研究對象[1]。直升機(jī)高速平飛時(shí)，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈沖噪聲，而高速脈沖(High

4、-SpeedImpulsive，HSI)噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。HSI噪聲主要是由前行槳葉表面產(chǎn)生的激波引起，對直升機(jī)遠(yuǎn)場有著嚴(yán)重干擾。隨著軍用直升機(jī)對聲隱身能力要求的提高和適航條例對民用直升機(jī)噪聲水平的嚴(yán)格限制，旋翼降噪技術(shù)已經(jīng)成為直升機(jī)技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)的最新熱點(diǎn)之一。為了在提高旋翼氣動性能的同時(shí)，改善旋翼的噪聲特性，國內(nèi)外的許多研究人員在新型槳尖旋翼的氣動設(shè)計(jì)方面開展了一系列創(chuàng)造性的研究工作睜8I，許多先進(jìn)的旋翼槳尖外形得到了實(shí)際應(yīng)用。UH一60A“黑鷹”直升機(jī)和AH一64“阿帕奇”直升機(jī)均采用了槳葉尖部后掠的氣動外形設(shè)計(jì)，研究表明這一設(shè)計(jì)可以有效抑制激波產(chǎn)生，對提高旋翼氣動性能有利。ON

5、ERA(theOfficeNation—ald’EtudesetdeRecherchesAerospatiales)研究發(fā)現(xiàn)采用拋物線型的曲線外形設(shè)計(jì)可以獲得良好的噪聲特性。最新的BERP(BritishExperimen—talRotorProgram)系列槳尖[4]和CLOR(ChinaLaboratoryofRotorcraft)系列[53等槳尖則在后掠尖削的基礎(chǔ)上均采用了前掠一后掠組合的槳尖設(shè)計(jì)，在降低噪聲的同時(shí)還能獲得良好的氣動性能。為了獲得氣動性能和噪聲特性俱佳的槳尖外形，本文綜合考慮國內(nèi)外先進(jìn)的槳尖外形特點(diǎn)，提收稿日期：2014—06—05；退修日期：2014—08—09；錄用

6、日期：2014—09·02；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014—09—1715：33網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／10．7527／81000—6893．2014．0208．html基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(11272150)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目*通訊作者Tel：025—84893753E—mail：zhaoqijun@nuaaeduOil引用格式：ZhuZ，ZhaoQJOptimizationdesignmethodforrotorblade—toshapewithlowHSlnoisecharacteristics[J]．ActaAeronauticaet

7、AstronauticaSinica．2015．36(5)：1442-1452,朱正，招富軍低HSI噪聲旋翼槳尖外形僥化設(shè)計(jì)方法【J]航空學(xué)報(bào)．2015，36(5)11442-1452朱正等：低HSI噪聲旋翼槳尖外形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法出一種組合前掠一后掠一尖削的新槳尖外形設(shè)計(jì)方案，擬通過優(yōu)化方法找到一種組合規(guī)律，以獲得更優(yōu)的旋翼氣動和噪聲特性。在旋翼槳葉外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)分析方面，早期的模擬方法主要采用動量理論、升