引言
YIDUO
TECH
随着城市低空物流、eVTOL载人飞行器、高端无人机快速普及,气动噪声已成为型号适航与市场准入的核心门槛。传统孤立旋翼的降噪潜力已接近瓶颈,非常规构型——同轴同向旋转旋翼凭借轴向/方位角双重设计自由度,成为新一代低噪旋翼系统的重要研究方向。
本文基于PowerFLOW高保真数值模拟,系统揭示悬停状态下同轴同向旋翼的流场演化、桨-涡干扰(BVI)及远场噪声辐射机理,为低空飞行。
研究背景
城市空域对飞行器噪声提出严苛约束,传统单旋翼/常规共轴旋翼在噪声控制上逼近极限。
同轴同向旋转旋翼的独特价值
上下旋翼同转向、共轴线,提供轴向间距+方位角间距双重设计变量。
可通过相位干涉与流场调控实现被动降噪,无需复杂主动控制。
已有实验证实:方位角间距对噪声量级与频谱特征起决定性作用。
本研究以悬停工况为基准,量化不同方位角布局对气动声学特性的影响,为工程选型提供数据支撑。
研究对象
研究聚焦悬停状态下两组典型同轴同向双旋翼(APC 18×5.5MR螺旋桨):
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01
旋翼直径:0.457m
02
转速:3000rpm
03
轴向间距:统一2.8cm
04
方位角间距:84°/12°(取自实验数据库,噪声差异极显著)
为建立基准,同步对比两类参照构型:
孤立两叶旋翼
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同向构型上下旋翼“无限远”极限状态。
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孤立四叶旋翼
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同向构型轴向间距为0的极限状态。
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图1 共旋转式(第一行)和单旋转式(第二行)的转子结构
PowerFLOW
本研究采用气动-声学耦合高精度求解框架,保证流场与噪声预测可信度:
流场求解
求解器:PowerFLOW(格子玻尔兹曼法LBM)。
湍流模型:超大涡模拟(VLES)。
网格策略:叶片前缘、后缘、桨尖区域局部加密,精准捕捉涡结构与边界层。
远场噪声预测
声学模型:Ffowcs Williams-Hawkings方程+Farassat 1A。
数据采集:旋翼周围布置3个可渗透圆柱面,采集气动载荷并时间平均,抑制伪噪声。
声学分析:36通道圆形麦克风阵列,获取完整指向性与频谱。
该方法可同时输出非定常流场、表面压力脉动、远场噪声频谱与指向性,实现机理-现象-数据闭环。
图2 计算装置以及麦克风阵列示意图
图3 远场噪声实验和仿真频谱对比
核心结果
CFD 核心创新在于:结合vorticity场分析与用户子程序开发,实现流致振动响应全流程自动化监控,摆脱传统经验依赖。
桨-涡干扰(BVI)机理
01
上部旋翼:桨尖涡被下部旋翼诱导加速下洗,天然无BVI。
02
下部旋翼(Δφ=84°):桨尖涡与叶片保持约0.06R错过距离,无明显干扰。
03
下部旋翼(Δφ=12°):桨尖涡在85%展长处直接撞击叶片,引发强BVI,表面压力大幅周期性脉动。
图4 瞬时涡度的等值线图
远场噪声特性
总噪声由上下旋翼声波相位干涉主导,时间偏移与方位角间距正相关。
Δφ=84°实现强相消干涉,一阶叶片通过频率(BPF)纯音比12°构型低15dB。
Δφ=84°一阶BPF仍比孤立四叶旋翼高4.5dB;Δφ=12°与孤立两叶旋翼相当(高1.7dB)。
高阶谐波:Δφ=12°显著抬升(强BVI特征);Δφ=84°高频分量来自桨尖涡不稳定性。
图5 指向性图
图6 远场噪声频谱对比
总结
BVI发生规律:上部旋翼无BVI;下部旋翼BVI由方位角间距唯一主导,小间距激扰、大间距规避。
噪声控制核心机制:同轴同向旋翼的纯音噪声由相位干涉主导,合理方位角可实现大幅相消降噪。
构型对比启示:最优相消构型(84°)仍相对孤立四叶旋翼存在噪声劣势,提示需轴向/方位角协同优化。
工程诊断价值:噪声频谱可作为BVI在线判据,支撑试验与仿真快速迭代。