韩忠华[1]2007年在《旋翼绕流的高效数值计算方法及主动流动控制研究》文中认为本文研究了适用于复杂非定常粘性流动的高效数值计算方法及其微射流主动流动控制技术。通过使用隐式求解、引入预处理方法、多重网格法等数值模拟技术，发展了一套适用于从不可压缩流动到超声速流动的Navier-Stokes(N-S)方程统一求解方法和高效计算程序。在发展高效数值模拟技术基础上，开展了直升机旋翼前飞非定常粘性流动以及翼型和旋翼微射流主动流动控制的数值模拟研究，并结合N-S方程和气动声学Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程开展了旋翼悬停和前飞气动噪声的高效预测方法研究。本文的研究为新型旋翼气动和声学设计提供了一种高效计算分析工具，并探讨了一种基于MEMS技术的旋翼主动流动控制技术的实现途径。本文完成的研究工作主要表现在如下几个方面：(1)发展了一套适用于定常／非定常粘性流动的全速域高效、高精度数值计算方法和计算程序(命名为PMNS3D)。在有限体积法的基础上，空间离散以改进的JST格式和基于MUSCL方法的高阶AUSM+-up格式为主，时间推进以改进的LU-SGS格式和全隐式双时间法为主，并引入预处理方法和多重网格法等高效率加速收敛技术。为了提高LU-SGS格式在粘性流动计算中的效率和稳定性，本文引入粘性修正，给出了一种牛顿型LU-SGS迭代方法。为了提高非定常粘性流动的计算效率，发展了含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法，并提出了一种采用直接LU-SGS方法进行子迭代初场预估的预报校正法。(2)为了改善现有可压缩计算方法在低马赫数流动计算中面临的收敛困难和收敛精度低的问题，本文对矩阵预处理方法进行了深入研究，并通过与多重网格方法结合，发展了同时适用于从不可压流动到超声速流动的高效、高精度计算方法。推导了针对显式时间推进和隐式时间推进以及双时间推进格式的预处理方法，同时也发展了适用于JST格式和AUSM+格式的预处理方法。将AUSM+-up空间离散格式同预处理时间推进方法相结合，发展了一种预处理AUSM+-up格式，可实现从极低马赫数流动(如Ma=10~(-5))到超声速流动的高效、高精度数值模拟。通过二维／叁维、定常／非定常流动数值模拟算例，表明所发展的预处理方法既能显着提高计算效率，又能提高计算精度。(3)研究发展了适用于N-S方程数值求解的隐式多重网格方法。在课题组原有的定常流动显式多重网格技术基础上，发展了适用于定常和非定常粘性流动的LU-SGS隐式多重网格技术。研究表明，隐式多重网格方法计算效率和计算稳定性明显优于显式多重网格方法。对隐式多重网格技术的循环方式进行了研究，总结出了比较有效的多重网格循环方式。针对预处理方法的应用，发展了程序改动量小、通用性强且易于实现的预处理多重网格技术，并给出了该技术的流程图。(4)研究发展了适用于前飞直升机旋翼非定常粘性流动计算的隐式多重网格方法。针对运动嵌套网格技术，提出了一种改进的贡献单元搜索方法，并发展了一种高效实用的嵌套多重网格技术。将多重网格方法与含牛顿型LU-SGS子迭代的全隐式双时间法相结合，发展了适用于前飞旋翼粘性绕流的高效数值计算方法和计算程序(命名为FORWARD)。算例研究表明，本文所发展的计算方法显着地提高了计算效率，减少了计算时间。(5)研究发展了翼型微射流主动流动控制的数值模拟技术及相应的控制参数优化方法。在翼型表面施加非定常吹／吸气边界条件，发展了微射流与翼型干扰流动的数值分析方法。对NACA0015翼型、YLSG107高升力翼型、VR-7B旋翼翼型的失速控制进行了数值模拟，并对OA212R旋翼翼型的动态失速控制进行了数值模拟，深入研究了零质量射流技术在翼型主动流动控制方面的控制效果、控制机理和参数影响规律。研究表明：近切向射流比法向射流具有更好的分离控制效果，可有效增加翼型升力、减小分离阻力和减小力矩绝对值；射流动量系数达到0.001以上可获得较明显的控制效果。为实现最优控制，还提出了一种基于“代理模型”的控制参数优化方法。该方法将均匀试验设计与二次响应面、Kriging模型以及径向基神经网络等近似技术相结合，构造出目标函数和状态变量的代理模型，并采用序列二次规划方法和遗传模拟退火算法进行优化。以NACA0015翼型和VR-7B旋翼翼型的失速控制为例验证了该方法的有效性。(6)在发展前飞旋翼高效数值模拟方法的基础上，开展了叁维旋翼微射流控制的探索性研究。提出了叁维非定常吹／吸气边界条件，并对悬停旋翼的定常射流控制、有升力前飞旋翼的零质量射流增升以及前进桨激波-附面层干扰的零质量射流控制进行了初步研究，表明主动流动控制在提高旋翼气动性能方面具有很好的应用前景。(7)在国内首次开展了结合RANS方程和可穿透数据面FW-H方程(简称RANS／FW-H_(pds)方法)的直升机旋翼气动噪声预测方法研究。首先通过RANS方程数值模拟获得旋翼近场噪声，然后通过求解FW-H_(pds)方程得到远场气动噪声。悬停旋翼和前飞旋翼气动噪声算例研究表明，RANS／FW-H_(pds)方法能更准确地预测高速脉冲(HSI)噪声，并具有一定桨涡干扰噪声预测能力。
韩忠华[2]2003年在《直升机旋翼气动噪声预测方法研究》文中指出本文结合CFD(计算流体力学)技术与气动噪声时域理论，求解直升机旋翼悬停和前飞流场及流场气动噪声。采用“双时间法”求解了旋翼绕流的叁维非定常欧拉方程。为了多桨旋翼旋转、变距等复合运动的准确描述，采用了多块分区运动网格技术。噪声计算以旋翼流动解为基础，采用了气动噪声时域理论提供的叁种预测方法，包括求解Ffowcs Williams-Hawkings方程的Farassat方法、求解广义波动方程的Kirchhoff方法以及结合前两种方法的K-FWH方法。文中进行了这几种预测方法的详尽推导和说明，并给出了旋转点源、悬停和前飞旋翼的噪声预测算例。 本文的主要工作表现在以下几个方面： 1．采用叁维非定常欧拉方程数值模拟了旋翼前飞非定常流动。流动计算采用了多块分区运动网格技术。流动计算采用惯性坐标系作为参考系，这样控制方程没有出现由坐标系旋转带来的源项。通量项计算直接在惯性坐标系下进行，没有投影到旋转坐标系下，方便了计算。通过无升力前飞和有升力前飞的算例表明，流动计算结果正确、可信，这为求解气动噪声奠定了基础。 2．采用广义函数理论推导了Ffowcs Williams-Hawkings方程(简称FW-H方程)，并运用自由空间格林函数积分的方法得出了FW-H方程的解；推导了广义波动方程—Kirchhoff方程和它的解；从理论上分析了FW-H方程和Kirchhoff方程的联系，并推导了新的噪声计算公式—K-FWH公式。 3．提出了采用多个气动声学公式预测旋翼噪声的统一算法，独立研制了气动噪声预测程序NOSPRE。NOSPRE集成了叁种噪声预测方法，可采用固定或旋转的声源面来预测跨音速旋翼悬停和前飞时的气动噪声。NOSPRE还具有模块化的主体框架，易于扩充和发展。 4．采用旋转点源、UH-1H悬停旋翼、AH-1/OLS前飞旋翼作为算例，对所采用的各种噪声预测方法进行了比较。数值研究表明：Farassat 1A公式在预测线性噪声方面简单有效，适用于亚音速旋翼的噪声预测；Kirchhoff公式和K-FWH公式均能够预测跨音速旋翼声场，并且具有较高的精度；当声源面位于流动非线性时，Kirchhoff公式会导致很大的计算误差，而K-FWH公式不存在这样的问题。
杨晓芳[3]2009年在《直升机前飞时旋翼旋转噪声计算与分析》文中研究指明旋翼是直升机的主要噪声源,降低旋翼噪声对控制直升机的噪声水平具有重要意义。本文采用时域法和谐波法对直升机前飞状态下的旋翼噪声进行了理论分析研究。主要工作包括:一,简要介绍了直升机噪声的分类以及国内外关于直升机噪声预测方法的研究现状,总结前人的研究成果。二,利用滑流理论和叶素理论建立旋翼气动载荷计算模型,用数值方法计算了直升机前飞时旋翼桨盘处每度方位角上的气动载荷,并提出了气动载荷沿叶素弦向分布模型。叁,采用法莱萨特时域法建立了直升机前飞时旋翼旋转噪声计算模型,开展计算方法研究,用算例验证了计算方法和计算程序的正确性,计算了直-9直升机在不同前进比以及不同观察距离下声压时间历程与噪声指向性。四,采用谐波法建立直升机前飞时旋翼旋转噪声计算模型,对旋翼桨盘上的气动载荷和桨叶的剖面法向速度进行傅立叶变换,计算了直-9直升机前飞状态下各次谐波的旋翼旋转噪声。并与时域法计算结果进行对比分析。本文的研究成果对发展或完善直升机旋翼旋转噪声的预测方法具有一定的参考价值。
付炜嘉[4]2016年在《旋翼桨尖涡高精度数值模拟与流动控制研究》文中研究指明作为直升机的核心部件,旋翼的性能对整架直升机的安全性、经济性和舒适性具有至关重要的影响,直升机旋翼空气动力学一直是航空领域内的研究热点,旋翼的空气动力学问题则是直升机旋翼空气动力学研究的重要内容。随着计算机硬件水平以及数值计算方法的飞速发展,CFD技术已经成为旋翼空气动力学分析研究的重要手段,在直升机气动设计过程中发挥着重要的作用。桨尖涡在旋翼尾涡流场中起主导作用,旋翼桨尖涡的高精度数值模拟一直是旋翼空气动力学研究中的关键技术及难点。旋翼桨尖涡会给直升机的气动特性带来很多不利的影响,例如桨涡干扰、桨尖涡/机身干扰等,有关旋翼桨尖涡的流动控制技术研究也是近年来的研究热点,旋翼开孔桨尖流动控制技术能够有效地耗散减弱旋翼桨尖涡,减少桨尖涡带来的不利影响,是一种有巨大潜力的流动控制技术。本文开发了基于结构网格动态面搭接技术和五阶Roe-WENO格式的非定常RANS方法和RANS/LES混合方法的旋翼流场计算分析程序,对旋翼桨尖涡进行了精细化数值模拟研究,并在此基础上对旋翼开孔桨尖流动控制技术进行了探索性研究。论文工作主要包括以下几个方面:1、利用结构网格动态面搭接技术实现旋翼的旋转运动,基于叁阶Roe-MUSCL格式、双时间步法、k-?SST湍流模型和多块结构网格的MPI并行计算策略,开发了用于旋翼悬停和简单前飞状态流场分析的非定常RANS方法计算程序。通过对旋翼、螺旋桨典型算例的数值模拟分析,验证了该计算程序的可靠性。2、针对传统叁阶Roe-MUSCL格式隐含数值耗散过大导致旋翼桨尖涡在计算过程中被耗散减弱的问题,采用五阶Roe-WENO格式对所开发的旋翼流场非定常RANS方法计算分析程序进行了改进,并针对Caradonna-Tung旋翼进行了数值模拟研究,计算结果表明五阶Roe-WENO格式有效地改善了计算程序对于桨尖涡的捕捉效果;在此基础上论文针对旋翼桨尖涡进行了比较系统的分析,研究了旋翼桨尖马赫数及旋翼桨距角对旋翼桨尖涡的影响,研究结果表明:旋翼悬停状态下,旋翼桨尖马赫数主要影响旋翼桨尖涡的强度,旋翼桨尖马赫数越大桨尖涡的强度也越大。旋翼桨距角的大小对于旋翼桨尖涡的发展有着重要影响,桨距角越大,桨尖涡向下发展的程度越大同时向内收缩的程度也越大。论文计算得到的旋翼悬停流场桨尖涡变化规律对于研究悬停状态下的旋翼桨涡干扰、旋翼/机身干扰有重要的意义。3、将采用五阶Roe-WENO格式改进后的旋翼流场非定常RANS计算分析程序对旋翼简单前飞状态(不考虑挥舞、变距)下的流场进行了数值模拟,进一步验证计算程序的可靠性,计算捕捉到了前行桨叶一侧(桨叶旋转方向与来流方向相反)的桨涡干扰现象;旋翼前飞状态下两侧的尾涡形态有明显的差异,前行桨叶一侧有明显的桨尖涡集中涡束。4、针对RANS方法对于复杂湍流流动模拟能力不足的问题,论文对RANS/LES混合方法进行了研究,基于五阶Roe-WENO格式和k-?SST湍流模型实现了DDES方法和IDDES方法的计算程序开发,并针对串列双圆柱标准算例进行了数值模拟,检验论文中DDES方法和IDDES方法对复杂湍流流动模拟的可靠性,对双圆柱算例的计算结果表明:DDES方法计算出的上游圆柱出现了很长的未失稳剪切层,这是DDES方法中的RANS方法保护函数仍未关闭引起的,而IDDES方法将RANS/LES切换向边界层内压迫,因此预测到的上游圆柱剪切层失稳更为准确,计算得到的流场结构也更为丰富,与实验结果更为接近。5、采用所开发的旋翼流场计算分析程序对Caradonna-Tung悬停状态的旋翼桨尖涡进行了高精度数值模拟研究,分别对比了相同网格量级下RANS方法、DDES方法、IDDES方法计算得到的旋翼桨尖涡结构,计算结果表明:DDES方法和IDDES方法对尾迹关注区域内流动细节模拟得更好,计算得到的旋翼桨尖涡结构更为丰富。IDDES方法捕捉到的旋翼桨尖涡附近的细小蠕虫涡结构较DDES方法更加明显,同时IDDES方法计算结果中还可以观察到桨尖涡的“涡核联会”现象,表现出明显的非定常特征,与国外类似旋翼实验得到的现象一致,对于深入研究旋翼流动机理、旋翼/机身干扰问题以及开展高精度旋翼噪声预测有重要的意义。6、采用所开发的旋翼流场计算分析程序对旋翼开孔桨尖控制技术进行了探索性研究,对比分析了开孔前后的旋翼桨尖涡流场,深入探讨了旋翼开孔桨尖技术的流动控制机理,并在此基础上研究了开孔参数对桨尖涡耗散效果的影响,研究结果表明:开孔的直径及数量对桨尖涡耗散减弱效果有明显的影响,在实际应用时需要根据旋翼的型号及飞行状态对开孔参数进行优化设计。论文的研究结果可为旋翼开孔桨尖技术的研究与工程应用提供理论基础与技术参考。
陈平剑, 仲唯贵, 段广战[5]2015年在《直升机气动噪声研究进展》文中研究表明对直升机气动噪声的研究进展进行了综述,内容包括试验技术、理论分析方法和噪声抑制技术。声学风洞试验是直升机气动噪声研究的基本手段,其中非定常载荷测试、流场显示和声源定位等先进测试技术已实现应用;飞行试验在直升机噪声适航标准完善和噪声控制技术研究等方面已成为必不可少的研究和验证手段。直升机气动噪声的理论体系不断完善,包括声类比法、Kirchhoff/CFD混合法等旋翼气动噪声分析方法都已形成分析程序,成为直升机研发的有效工具。直升机气动噪声的抑制仍然以旋翼桨尖设计为主,飞行轨迹优化、旋翼噪声主动控制等新技术已实现飞行验证,但尚未进行型号应用。在用户和市场需求的推动下,在新型直升机的研发中,引入气动噪声的抑制技术将是必然的发展趋势。
徐国华, 史勇杰, 招启军, 王阳, 樊枫[6]2017年在《直升机旋翼气动噪声的研究新进展》文中进行了进一步梳理随着直升机的广泛使用,旋翼气动噪声问题逐渐得到重视。概述了旋翼厚度噪声、载荷噪声、高速脉冲(HSI)噪声、桨-涡干扰(BVI)噪声和宽带噪声的国内外研究现状,简述了旋翼气动噪声理论、试验、计算发展历程以及各阶段的研究成果,并对后缘襟翼、高阶谐波控制(HHC)、单片桨叶控制(IBC)、主动扭转桨叶等噪声控制方法和概念进行了介绍。重点叙述了旋翼气动噪声的研究新进展,包括大气、地面和飞行轨迹等对直升机旋翼噪声的影响,机身散射声场以及机动噪声计算方法等方面取得的成就。对直升机旋翼气动噪声的研究进行了总结,并对其发展前景提出了展望。
韩忠华, 宋文萍, 乔志德[7]2004年在《Kirchhoff方法在旋翼前飞噪声预测中的应用研究》文中研究表明将CFD(计算流体力学)技术与噪声预测的Kirchhoff方法相结合,发展了前飞状态下直升机旋翼远场气动噪声的定量预测方法,得到了旋翼噪声的时域解。先用具有解析解的"点源"流动代替旋翼流动,通过比较计算值与理论值,验证了该预测方法的可行性和可靠性;尔后针对AH 1/OLS旋翼模型的两种前飞状态进行计算,通过比较计算值与实验值,进一步验证了本文方法及其所发展的程序的正确性。
曹荣富[8]2013年在《直升机气动噪声数值模拟》文中进行了进一步梳理随着直升机隐身要求的进一步提高，直升机噪声问题越发引起关注。本文旨在通过叁维RANS方程和FW-H方程相联合的方法对悬停状态下，直升机以及直升机旋翼周围流场和远场气动噪声进行数值模拟，研究相关的声场特性，分析方法的合理性和准确性，并开发相关的通用程序。本文主要开展了如下几个工作：1.采用叁维非定常雷诺平均N-S方程对悬停状态下的旋翼非定常流动进行数值模拟。流场模拟采用混合网格技术，取惯性坐标系作为流动计算的参考系，在翼面附近采用随时间旋转块网格，在远场采用静止块网格，以便在进行声场计算时，静止面和旋转面的生成。为求解气动噪声提供便利；并结合重迭网格技术对直升机在悬停状态下的流场进行数值模拟，得到相关的气动数据，为声场预测提供数据。2.根据广义函数理论对FW-H方程进行推导，并运用自由空间格林函数进行求解；结合Kirchhoff方程及其解得到鲁棒性较好的计算公式，即K-FWH公式。3.针对气动预测公式的多样性提出统一算法，并编写相关的NOSPRE预测程序。该程序采用了模块化，集成了叁种噪声预测方法，可以通过旋转和非旋转的声源面来求解悬停状态下的气动噪声。4.采用旋转的点声源、UH-1H悬停旋翼作为验证算例，来验证程序的可靠性和准确性，同时采用Robin机身的直升机作为拓展算例，得到直升机悬停状态下的噪声数据。
解福田, 韩忠华, 宋文萍[9]2007年在《基于FW-Hpds方法的直升机旋翼气动噪声指向性分析》文中研究指明本文使用基于可穿透数据面的Ffowcs Williams-Hawkings方程(FW-Hpds)的预测方法分析了跨声速直升机悬停旋翼气动噪声的指向性。通过求解叁维非定常欧拉方程计算了近场噪声,通过延迟时积分方法和求解FW-Hpds方程计算远场噪声。预测了跨声速UH-1H悬停旋翼的高速脉冲噪声(HSI),然后计算了不同观测点处的声压级,并通过声压级在不同方向上的分布分析了HSI噪声的方向性。根据本文研究发现HSI噪声在桨盘平面上最大,在转轴方向上最小,和其它研究者的结论一致。
刘大伟, 黄俊, 王英, 姬金祖[10]2016年在《翼型参数对旋翼悬停气动噪声特性影响》文中研究说明基于运动嵌套网格的欧拉方程建立了旋翼流场的数值模拟方法。以旋翼气动性能仿真结果作为输入,应用FARASSATE1A公式发展了适用于旋翼气动噪声的计算程序。通过与C-T旋翼的实验数据对比,验证了方法的有效性。在此基础上,通过改变旋翼桨叶翼型的厚度、弯度以及最大弯度位置研究了翼型参数对旋翼悬停气动噪声特性的影响。研究结果表明,翼型厚度是决定旋翼厚度噪声的关键因素,旋翼载荷噪声决定于旋翼桨叶表面压力分布。旋翼厚度噪声主要受翼型厚度变化影响,旋翼载荷噪声则主要受翼型最大弯度和最大弯度位置的影响。翼型参数变化不会明显改变旋翼气动噪声的方向特性。
参考文献：
[1]. 旋翼绕流的高效数值计算方法及主动流动控制研究[D]. 韩忠华. 西北工业大学. 2007
[2]. 直升机旋翼气动噪声预测方法研究[D]. 韩忠华. 西北工业大学. 2003
[3]. 直升机前飞时旋翼旋转噪声计算与分析[D]. 杨晓芳. 南京航空航天大学. 2009
[4]. 旋翼桨尖涡高精度数值模拟与流动控制研究[D]. 付炜嘉. 西北工业大学. 2016
[5]. 直升机气动噪声研究进展[J]. 陈平剑, 仲唯贵, 段广战. 实验流体力学. 2015
[6]. 直升机旋翼气动噪声的研究新进展[J]. 徐国华, 史勇杰, 招启军, 王阳, 樊枫. 航空学报. 2017
[7]. Kirchhoff方法在旋翼前飞噪声预测中的应用研究[J]. 韩忠华, 宋文萍, 乔志德. 空气动力学学报. 2004
[8]. 直升机气动噪声数值模拟[D]. 曹荣富. 南京航空航天大学. 2013
[9]. 基于FW-Hpds方法的直升机旋翼气动噪声指向性分析[J]. 解福田, 韩忠华, 宋文萍. 直升机技术. 2007
[10]. 翼型参数对旋翼悬停气动噪声特性影响[J]. 刘大伟, 黄俊, 王英, 姬金祖. 沈阳航空航天大学学报. 2016
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