某型螺旋槳飛機(jī)氣動噪聲降噪研究

艾延廷，王 澤，王 志， 佟 剛，項(xiàng) 松

(1．沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2. 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136)

螺旋槳是把航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的裝置，也是螺旋槳飛機(jī)最主要的噪聲源。噪聲輻射誘發(fā)的機(jī)身結(jié)構(gòu)振動與聲疲勞，對飛行安全造成嚴(yán)重影響[1]；螺旋槳噪聲會影響機(jī)場所在地區(qū)附近的環(huán)境，且對人員健康有嚴(yán)重影響；同時，飛機(jī)機(jī)身處于螺旋槳直接輻射的聲場中，所誘發(fā)的氣流脈動以結(jié)構(gòu)噪聲的形式傳入機(jī)艙，影響乘客旅行的舒適性。螺旋槳噪聲的研究屬于氣動聲學(xué)范疇，噪聲是由于螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的非定常流場脈動引起的。目前的降噪方法有降低聲源強(qiáng)度和基于破壞性的聲波干涉。其中，通過改善螺旋槳設(shè)計可以有效地降低螺旋槳?dú)鈩釉肼?，達(dá)到飛行安全標(biāo)準(zhǔn)，減少噪聲污染。這需要對噪聲發(fā)聲機(jī)理、螺旋槳模型設(shè)計和氣動噪聲數(shù)值計算展開研究，通過采集相關(guān)物理量，定性分析螺旋槳?dú)鈩釉肼?，不斷改進(jìn)螺旋槳模型的幾何參數(shù)，達(dá)到降噪目的。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者在低噪聲螺旋槳設(shè)計方面展開了大量研究。Chusseau M[2]和Ohad Gur[3-4]針對輕型飛機(jī)主要設(shè)計參數(shù)對螺旋槳?dú)鈩釉肼暤挠绊戇M(jìn)行了分析，但未對螺旋槳?dú)鈩釉肼曔M(jìn)行數(shù)值計算、對比驗(yàn)證。Antonio Pagano[5]、Marinus B G[6]和Campos[7]等對螺旋槳?dú)鈩釉肼曔M(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，但未對影響氣動噪聲的物理量展開定性研究。潘杰元和錢惠德[8]提出了一種螺旋槳?dú)鈩釉O(shè)計的數(shù)值優(yōu)化方法，對2個已有的螺旋槳重新進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計計算，取得了較好的預(yù)測結(jié)果，但未進(jìn)行葉片降噪優(yōu)化的應(yīng)用和降噪后葉片的性能分析。

本文的數(shù)值模擬過程采用流場-聲場相結(jié)合的計算方法，利用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)求得螺旋槳流場信息，導(dǎo)入到Virtual.Lab軟件中進(jìn)行氣動噪聲聲場求解，實(shí)現(xiàn)噪聲特性分析。流場計算過程中，使用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)用滑移網(wǎng)格方法進(jìn)行連接，發(fā)展了基于 FW-H的氣動噪聲模型[9]，采用大渦模擬(LES)方法對螺旋槳?dú)鈩釉肼暦嵌ǔＣ}動流場進(jìn)行計算。聲場計算使用Virtual. Lab軟件中直接邊界元(BEM)的方法將氣動噪聲等效為扇聲源，來計算螺旋槳?dú)鈩釉肼暎@得了螺旋槳在三種不同轉(zhuǎn)速下的氣動噪聲聲壓級分布規(guī)律。為了得到飛機(jī)氣動噪聲頻域和聲壓整體強(qiáng)度圖，本文完成了螺旋槳在三種不同轉(zhuǎn)速下的地面遠(yuǎn)場噪聲試驗(yàn)，并使用LMS Test.Lab軟件對不同轉(zhuǎn)速下測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和對比。本文對氣動噪聲降噪理論進(jìn)行了分析，認(rèn)為通過修改沿展向槳葉形狀可以有效降低載荷噪聲，從而完成對螺旋槳?dú)鈩釉肼暤慕翟雰?yōu)化。

1 氣動噪聲數(shù)值模擬

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

根據(jù)Angelo[10]和項(xiàng)松等[11]提出的給定工況下高效率螺旋槳設(shè)計方案，得到了螺旋槳幾何參數(shù)，如表1所示。其中，D為槳葉直徑，b為槳葉寬度，hd為槳轂高度，hr為槳轂半徑。

表1 螺旋槳幾何參數(shù)

依據(jù)弦長與徑向的分布規(guī)律，采用Catia軟件生成葉片葉型，建立螺旋槳三維模型。此方法的優(yōu)勢在于避免了由坐標(biāo)變換得到葉片截面而產(chǎn)生的眾多點(diǎn)與曲線，減少了工作量，提高了容錯率，模型如圖1所示。在ICEM軟件中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格分為內(nèi)場旋轉(zhuǎn)域和外場靜止域兩部分：內(nèi)場旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格并進(jìn)行局部加密，外場靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，內(nèi)外域間使用滑移網(wǎng)格進(jìn)行連接，網(wǎng)格總數(shù)約387萬，如圖2所示。

圖1 螺旋槳模型

圖2 整體網(wǎng)格劃分

1.2 參數(shù)設(shè)定與槳葉壓力脈動求解

針對螺旋槳的湍流流場特性，采用LES和離散格式的PRESTO求解器進(jìn)行非定常計算。采用LES時，使用數(shù)值方法求解大尺度湍流，并對小尺度湍流脈動建立模型；相比于直接數(shù)值方法，LES對空間分辨率的要求較低；相比于雷諾平均模擬方法，LES方法能夠獲得更多的湍流信息。選擇1 000 r/min、1 500 r/min和2 000 r/min共三種轉(zhuǎn)速進(jìn)行槳葉壓力脈動計算。根據(jù)前期工作，得知葉片流場計算在20個擾動周期下趨于收斂，迭代步數(shù)為1 500步，各轉(zhuǎn)速下的時間步長(Ts)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Ts=20T/1 500進(jìn)行設(shè)置。Fluent計算結(jié)果中出口流量監(jiān)控曲線和面積加權(quán)平均曲線趨于平穩(wěn)，殘差收斂于10-4，因此認(rèn)為非定常計算達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

1.3 螺旋槳?dú)鈩釉肼暦治?/h3>

將Fluent計算模型導(dǎo)入Virtual. Lab，計算葉片上的載荷，將氣動噪聲等效為扇聲源。建立半徑15R(24 m)與地面遠(yuǎn)場噪聲試驗(yàn)半徑相同的邊界元球面，場點(diǎn)中心放置扇聲源，以此對螺旋槳進(jìn)行氣動聲學(xué)響應(yīng)分析。結(jié)果表明：螺旋槳在球形聲場的等聲壓線沿軸向兩側(cè)呈條狀分布，螺旋槳前后位置的球形表面聲壓較高，螺旋槳所在旋轉(zhuǎn)平面的球面表面聲壓較低。三種不同轉(zhuǎn)速下，螺旋槳球形場點(diǎn)輻射聲壓最大值分別為62.2 dB、70.1 dB、80.1 dB，均分布在球形場點(diǎn)軸向的前后兩端。數(shù)值模擬聲壓級相比于試驗(yàn)值平均小6 dB，這是因?yàn)閿?shù)值模擬未考慮地面反射對氣動噪聲的影響。這與尹堅(jiān)平等[12]的研究結(jié)論中地面反射對聲源影響的修正量相吻合。因此對計算值進(jìn)行修正并與試驗(yàn)值相對比，結(jié)果繪制如圖3所示。

(a) 1 000 r/min

(b) 1 500 r/min

(c) 2 000 r/min

圖3 各轉(zhuǎn)速下噪聲聲壓級分布

2 地面遠(yuǎn)場噪聲試驗(yàn)

對螺旋槳進(jìn)行整機(jī)地面靜態(tài)噪聲測試，以獲得氣動噪聲數(shù)據(jù)。試驗(yàn)根據(jù)SAE ARP 1846A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，選擇空曠露天場地，確保飛機(jī)的半徑500 m范圍內(nèi)無建筑物或任何其他障礙物，保證噪聲測試不會受到其他因素影響，場地布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)場地

噪聲測點(diǎn)布置如圖5所示，在半徑為15D的圓周上，將螺旋槳中軸線正前方設(shè)為1號測點(diǎn)，每隔 10°布置一個測點(diǎn)，共19 個測點(diǎn)。

圖5 噪聲接收點(diǎn)位置示意圖

由槳葉頻率公式f=Bn/60計算各轉(zhuǎn)速下的槳葉通過頻率(BPF)，分別為33.3 Hz、50 Hz和66.7 Hz，與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下頻譜圖的基頻信號頻率相近，進(jìn)而驗(yàn)證了地面遠(yuǎn)場噪聲試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，如圖6所示。由各轉(zhuǎn)速下的頻譜圖可以看出，螺旋槳?dú)鈩釉肼暿怯蛇B續(xù)的寬帶噪聲與一系列旋轉(zhuǎn)噪聲疊加組成的，這些旋轉(zhuǎn)噪聲呈現(xiàn)出一定的基頻與倍頻信號，且具有周期性。與寬帶噪聲相比而言，旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓級聚集在低階BPF附近，隨著轉(zhuǎn)速的增加，尤其在1 500 r/min和2 000 r/min的轉(zhuǎn)速頻譜圖中，旋轉(zhuǎn)噪聲頻譜分離度更加明顯，倍頻信號更加突出，與氣動噪聲總聲壓級相近。這說明隨著轉(zhuǎn)速的增加，旋轉(zhuǎn)噪聲在螺旋槳?dú)鈩釉肼曋衅鹬鲗?dǎo)作用。

(a)1 000 r/min

(b)1 500 r/min

(c)2 000 r/min

圖7為三種不同轉(zhuǎn)速下各測點(diǎn)的聲壓級測試結(jié)果分布。從圖中可明顯地看出，氣動噪聲隨轉(zhuǎn)速增大而增加。不同轉(zhuǎn)速下圓形場點(diǎn)分布規(guī)律大致相同，這說明轉(zhuǎn)速的增加并不能引起氣動噪聲輻射方向性的改變。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，噪聲沿圓周方向整體變化并不明顯，但可在10號和19號看出噪聲有明顯的減少，基本可以認(rèn)定為是機(jī)體對噪聲傳播起到阻礙引起的。轉(zhuǎn)速從1 500 r/min增加到2 000 r/min時，噪聲變化量相對于1 000 r/min到1 500 r/min要小。說明在轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min時，轉(zhuǎn)速對螺旋槳?dú)鈩釉肼暤呢暙I(xiàn)量隨著轉(zhuǎn)速的增高和氣動噪聲的增長相對減少，噪聲變化量逐漸減小。

圖7 測點(diǎn)總聲壓級圓周分布圖(A計權(quán))

3 降噪仿真對比

螺旋槳?dú)鈩釉肼暱煞譃閮刹糠?，寬帶噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。寬帶噪聲是螺旋槳在流場內(nèi)與空氣互相作用的隨機(jī)性結(jié)果，旋轉(zhuǎn)噪聲是螺旋槳周期性切割流場內(nèi)空氣與之相互作用的結(jié)果[13]。

螺旋槳寬帶噪聲一般認(rèn)為是由槳葉的氣動力隨機(jī)分量所造成[14]。研究表明，槳葉葉面上的氣動力隨機(jī)脈動分量的來源有著多種可能性[15-17]，流湍流度、從槳葉后緣脫落的隨機(jī)渦量及槳面的湍流附面層都是可能的來源。由于湍流的復(fù)雜性與多樣性，對寬帶噪聲的定量估算比較困難，尚處于半經(jīng)驗(yàn)估算階段。

基于FW-H方程的噪聲計算將旋轉(zhuǎn)噪聲按照噪聲特點(diǎn)分為三部分：葉片厚度噪聲、載荷噪聲和四極子噪聲[18]，其中厚度噪聲和載荷噪聲呈現(xiàn)出周期性規(guī)律。由文獻(xiàn)[19-20]可知，螺旋槳槳葉都存在一定的厚度，當(dāng)槳葉周期性地掃過它周圍的空氣介質(zhì)，并導(dǎo)致空氣微團(tuán)的周期性非定常運(yùn)動時，就產(chǎn)生了厚度噪聲。當(dāng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動螺旋槳并產(chǎn)生拉力與阻力時，螺旋槳槳葉與空氣介質(zhì)作用產(chǎn)生的葉面壓力場也隨螺旋槳旋轉(zhuǎn)，并周期性導(dǎo)致噪聲頻譜變化，因此，螺旋槳載荷噪聲是由槳葉葉面的壓力場引起的，是拉力噪聲與阻力噪聲的組合。螺旋槳四極子噪聲僅在螺旋槳槳尖處于超聲速及跨聲速運(yùn)行工況時才被考慮。本文研究的螺旋槳飛機(jī)處于亞聲速狀態(tài)下飛行，因此可以忽略四極子噪聲。綜上所述，螺旋槳的氣動噪聲可以用螺旋槳的厚度噪聲和載荷噪聲來表示[21-22]。

本文著眼于降低聲源強(qiáng)度的方法進(jìn)行螺旋槳?dú)鈩釉肼暤慕翟?。通過改進(jìn)沿展向槳葉形狀，增加槳葉沿徑向的寬度，減小螺旋槳載荷噪聲，因?yàn)閺脑肼暪β恃貜较虻姆植紒砜矗~尖部位最高，通過設(shè)計將氣動負(fù)載沿展向分布的峰值向內(nèi)徑方向移動，可實(shí)現(xiàn)降低載荷噪聲的目的[1]。經(jīng)過不斷調(diào)整及反復(fù)的模擬計算測試，最終確定降噪效果最優(yōu)的新葉片幾何參數(shù)，如表2所示。

表2 新螺旋槳幾何參數(shù)

新螺旋槳的槳葉寬度分布如圖8所示，從圖8可以看出，從葉根到葉尖，槳葉寬度先增大后減小，槳葉最大弦長向內(nèi)徑方向移動。

圖8 新螺旋槳槳葉寬度分布

按照相同的氣動噪聲數(shù)值模擬，采用數(shù)值方法對轉(zhuǎn)速在1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min下的新葉片氣動噪聲進(jìn)行計算，得到不同轉(zhuǎn)速下的球形場點(diǎn)聲壓云圖，如圖9所示。由圖9可知，噪聲最大值均分布在槳盤軸向的前后兩側(cè)，槳盤軸向所在平面氣動噪聲呈不同形狀的“8”字型分布，這是典型的載荷噪聲特性。對比橫向同轉(zhuǎn)速聲壓云圖，螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面低噪聲區(qū)域逐漸變小，按軸向分布的噪聲帶同時趨于緩和，這說明載荷噪聲占?xì)鈩釉肼暠戎亟档?，厚度噪聲有所顯現(xiàn)。對比縱向的同型葉片聲壓圖，轉(zhuǎn)速的增加致使氣動噪聲增大，卻并不能改變噪聲的輻射方向性，這說明載荷噪聲在氣動噪聲中起主導(dǎo)作用，寬帶噪聲的隨機(jī)聲壓量對氣動噪聲特性的影響較小，可以忽略。

(a) 1 000 r/min球形場點(diǎn)聲壓云圖

(b) 1 500 r/min球形場點(diǎn)聲壓云圖

(c) 2 000 r/min球形場點(diǎn)聲壓云圖

對比遠(yuǎn)場噪聲試驗(yàn)和不同葉片氣動噪聲數(shù)據(jù)，得到表3。由表3可知，改變延展向槳葉形狀后，新葉片相對原葉片，在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下氣動噪聲最大值下降了11.4 dB，在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下氣動噪聲最大值下降了9.2 dB，在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下氣動噪聲最大值下降8.3 dB，降噪效果明顯。

表3 螺旋槳對應(yīng)各轉(zhuǎn)速下的聲壓值

4 結(jié) 論

本文對某型電動螺旋槳飛機(jī)進(jìn)行了氣動噪聲降噪研究。對不同槳葉進(jìn)行氣動噪聲數(shù)值計算，分析了遠(yuǎn)場噪聲聲壓級規(guī)律及分布特性，通過與地面遠(yuǎn)場噪聲試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)在螺旋槳地面遠(yuǎn)場噪聲試驗(yàn)方面，不同轉(zhuǎn)速下圓形場點(diǎn)分布規(guī)律大致相同，表明轉(zhuǎn)速的增加并不能引起氣動噪聲輻射方向性的改變。在1 500 r/min、2 000 r/min、2 200 r/min的轉(zhuǎn)速頻譜圖中，旋轉(zhuǎn)噪聲頻譜分離度更加明顯，倍頻信號更加突出，與氣動噪聲總聲壓級相近，說明隨著轉(zhuǎn)速的增加，旋轉(zhuǎn)噪聲在螺旋槳?dú)鈩釉肼曋衅鹬鲗?dǎo)作用。

2)本文運(yùn)用Virtual.Lab將LES和FW-H模型處理后的噪聲數(shù)據(jù)等效為扇聲源進(jìn)行仿真計算。槳盤軸向所在平面氣動噪聲呈不同形狀的“8”字型分布，說明載荷噪聲在氣動噪聲中起主導(dǎo)作用。數(shù)值模擬聲壓級分布與試驗(yàn)值基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值計算是正確的。

3)在不同螺旋槳降噪仿真對比中，相比于原葉片，新葉片的氣動噪聲最大值下降了約10 dB，這證明了通過改變沿展向槳葉形狀來降低螺旋槳?dú)鈩釉肼暦桨傅目尚行浴?/p>