面向電動(dòng)飛機(jī)應(yīng)用的不同葉尖螺旋槳噪聲特性

劉遠(yuǎn)強(qiáng),王艷冰,項(xiàng)松,王夢(mèng)琪

1. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院,沈陽(yáng) 110136 2. 遼寧通用航空研究院,沈陽(yáng) 110136 3. 遼寧銳翔通用飛機(jī)制造有限公司,沈陽(yáng) 110136 4. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110136

通用航空產(chǎn)業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè),是建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的重要組成部分,是民用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。隨著國(guó)民收入的穩(wěn)步提高,消費(fèi)理念的逐年提升將促使通用航空市場(chǎng)迎來(lái)空前發(fā)展。電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)屬于通用航空領(lǐng)域新的技術(shù)藍(lán)海,由于電動(dòng)飛機(jī)具有零排放、低噪音、運(yùn)營(yíng)成本低廉且維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在全球興起了相關(guān)技術(shù)研究熱潮,目前有240多個(gè)在研電推進(jìn)飛機(jī)項(xiàng)目,就研發(fā)水平而言,國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)均處于起步階段[1-4]。開(kāi)展新能源電動(dòng)飛機(jī)相關(guān)核心技術(shù)攻關(guān)與自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品研發(fā)是促進(jìn)學(xué)科建設(shè)、加快科技成果轉(zhuǎn)化、提升新型飛行器國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵要素。

傳統(tǒng)通用飛機(jī)大多采用螺旋槳作為動(dòng)力裝置,具有低油耗、高效率、易操作、氣動(dòng)特性好等優(yōu)點(diǎn)[5-7],但螺旋槳和發(fā)動(dòng)機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大噪聲,影響通航飛機(jī)的駕駛體驗(yàn)。由于傳統(tǒng)油動(dòng)螺旋槳飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲較大且難控制,因此應(yīng)當(dāng)同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳進(jìn)行降噪以降低飛機(jī)整體噪聲水平。靜音是電動(dòng)飛機(jī)的典型特征之一,相比于油動(dòng)飛機(jī),電動(dòng)飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)由電機(jī)、控制器與螺旋槳構(gòu)成,其噪聲絕大部分來(lái)源于螺旋槳,低噪聲螺旋槳在電動(dòng)飛機(jī)上的應(yīng)用有助于維持其靜音特征并提升乘坐的舒適性,控制好螺旋槳噪聲對(duì)于電動(dòng)飛機(jī)的實(shí)用與推廣具有重要意義。

目前,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在螺旋槳試驗(yàn)和噪聲特性方面開(kāi)展了較豐富的研究,龔喜盈等[8]對(duì)高空飛艇螺旋槳進(jìn)行了試驗(yàn),設(shè)計(jì)組建的高空螺旋槳車(chē)載試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性。項(xiàng)松等[9]提出一種高效率的螺旋槳設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出通用飛機(jī)在爬升狀態(tài)下和巡航狀態(tài)下的螺旋槳,用風(fēng)洞試驗(yàn)證明了其有效性。劉遠(yuǎn)強(qiáng)等[10]對(duì)某型電動(dòng)飛機(jī)螺旋進(jìn)行了數(shù)值模擬和螺旋槳縮比試驗(yàn),可為螺旋槳設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。Wisniewski等[11]分析了槳葉參數(shù)對(duì)螺旋槳?dú)鈩?dòng)數(shù)據(jù)性能和氣動(dòng)噪聲的影響。王陽(yáng)等[12]將非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格旋翼流場(chǎng)CFD(Computational Fluid Dynamics)計(jì)算方法與基于Fowcs Williams-Hawkings(FW-H)和Kirchhoff方程的聲學(xué)方法相結(jié)合,計(jì)算了螺旋槳?dú)鈩?dòng)噪聲并分析了螺旋槳厚度噪聲、載荷噪聲和四極子噪聲的特性。伍文華等[13]采用計(jì)算流體力學(xué)方法,運(yùn)用Fluent軟件和大渦模型(Large Eddy Simulation,LES)數(shù)值模擬了某軸流風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲,分析了噪聲產(chǎn)生的機(jī)理,驗(yàn)證了CFD的正確性。Kingan和Parry[14]利用螺旋槳的反向旋轉(zhuǎn)效應(yīng)研究了螺旋槳槳葉掃略增強(qiáng)或降低的噪聲輻射和利用掃頻控制噪聲的方法。Sakamoto和Kamiirisa[15]基于半經(jīng)驗(yàn)的黏性CFD方法對(duì)近場(chǎng)螺旋槳空化噪聲及其模型進(jìn)行預(yù)測(cè),并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。劉沛清等[16]對(duì)低雷諾數(shù)螺旋槳?dú)鈩?dòng)噪聲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,為尋求降低螺旋槳?dú)鈩?dòng)噪聲的方法提供了思路。Pereda Albarr-án等[17]利用多學(xué)科初步飛機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具M(jìn)ICADO對(duì)小型電動(dòng)飛機(jī)進(jìn)行了噪聲評(píng)估與設(shè)計(jì)。Samokhin[18]通過(guò)一種半經(jīng)驗(yàn)的方法對(duì)螺旋槳的噪聲進(jìn)行了估算并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。艾延廷等[19]開(kāi)展了某型螺旋槳飛機(jī)氣動(dòng)噪聲降噪研究,采用FW-H模型、非定?；凭W(wǎng)格及大渦模擬方法獲得了氣動(dòng)噪聲頻譜特征；通過(guò)地面遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲試驗(yàn)得到了螺旋槳在3種轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)噪聲頻域特性和聲壓強(qiáng)度分布規(guī)律。曹云飛等[20]提出了一種基于小波濾波和三參數(shù)正弦擬合法的最小數(shù)據(jù)波動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)選取方法,提高了噪聲模型的辨識(shí)精度。但以上工作均未涉及螺旋槳槳尖形狀對(duì)噪聲特性的影響分析。

螺旋槳噪聲作為電動(dòng)飛機(jī)噪聲的主要來(lái)源,控制好此部分即可很好地降低整體噪聲,有利于進(jìn)一步提升電動(dòng)飛機(jī)安靜環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。為更合理地選取電動(dòng)飛機(jī)螺旋槳,分析不同螺旋槳槳尖形狀特征對(duì)噪聲的影響,本文設(shè)計(jì)并創(chuàng)建平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖3種最典型槳尖形狀螺旋槳的模型,采用LES模型對(duì)3款不同槳尖形狀的螺旋槳模型開(kāi)展氣動(dòng)噪聲計(jì)算,以期獲得在巡航轉(zhuǎn)速和爬升轉(zhuǎn)速下螺旋槳一階頻率附近的噪聲聲壓值。制造螺旋槳風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)體模型,在空氣動(dòng)力研究院低速增壓FL-9風(fēng)洞中分別對(duì)3種不同槳尖形狀的螺旋槳進(jìn)行氣動(dòng)噪聲測(cè)量試驗(yàn),獲得不同槳尖形狀的氣動(dòng)噪聲特性,并將大渦模擬仿真計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1 計(jì)算模型構(gòu)造

根據(jù)螺旋槳設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)得出平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖螺旋槳,3款螺旋槳各展向站位的弦長(zhǎng)和槳葉角相同。通過(guò)創(chuàng)成式曲面造型技術(shù)構(gòu)建通用飛機(jī)螺旋槳的CATIA模型,槳葉數(shù)為2,直徑為960 mm,平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖形狀螺旋槳CATIA模型如圖1所示。

2 大渦模擬理論

2.1 控制方程

LES通過(guò)湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)量的分解將湍流的大渦和小渦分離開(kāi),直接數(shù)值計(jì)算大尺度湍流運(yùn)動(dòng)并利用運(yùn)動(dòng)模型模擬小尺度湍流運(yùn)動(dòng)。大渦模擬的控制方程即濾波后的Navier-Stokes方程為

(1)

(2)

式中：t為時(shí)間；ρ為流體密度,當(dāng)流體不可壓縮時(shí),?ρ/?t=0；xi和xj為位置分量；ui和uj為速度分量；上標(biāo)—代表取平均值；p為壓力；μ為運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)。

2.2 亞格子尺度模型

(3)

圖1 3種螺旋槳CATIA模型Fig.1 CATIA model of three propellers

(4)

(5)

(6)

Δf=V1/3

(7)

式中：Ck為模型常數(shù)；ksgs為亞格子尺度動(dòng)能；Δf為過(guò)濾尺寸；V為計(jì)算單元的體積。

(8)

通過(guò)求解輸運(yùn)方程得到ksgs：

(9)

式中：Cε為模型常數(shù)。

2.3 計(jì)算模型

為使數(shù)值模擬仿真結(jié)果更好地與后續(xù)將開(kāi)展的螺旋槳風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和結(jié)果分析,參照平直噪聲風(fēng)洞試驗(yàn)的接收傳聲器布置,計(jì)算模型將接收點(diǎn)設(shè)置在槳葉旋轉(zhuǎn)平面距離槳轂中心一倍距離(960 mm)的正下方,位置見(jiàn)圖2,3種螺旋槳設(shè)定為在來(lái)流風(fēng)速30 m/s情況下的巡航轉(zhuǎn)速2 700 r/min 和爬升轉(zhuǎn)速3 900 r/min。

采用ANSYS MESHING軟件對(duì)整體模型劃分混合網(wǎng)格,通過(guò)滑移網(wǎng)格處理螺旋槳旋轉(zhuǎn)區(qū)域,旋轉(zhuǎn)域采用四面體網(wǎng)格,遠(yuǎn)域采用規(guī)則六面體網(wǎng)格,如圖3所示,網(wǎng)格數(shù)量約為500萬(wàn)。

基于混合網(wǎng)格并采用有限體積法,選用非定常求解器,壓力隱式計(jì)算,離散格式為三階,湍流模型采用大渦模型,壓力插值格式為PRESTO!,亞格子渦黏系數(shù)中的模型常數(shù)修正為Cs=0.1。時(shí)間步長(zhǎng)Δt=1×10-6,迭代步數(shù)N=500,最大頻率范圍為Fmax=1/(2Δt)=5×105Hz；流場(chǎng)發(fā)展時(shí)間T=ΔtN=0.000 5 s。

圖2 螺旋槳試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Propeller test model

圖3 螺旋槳整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.3 Propeller overall grid structure

2.4 計(jì)算結(jié)果

大渦模擬計(jì)算結(jié)束后,開(kāi)啟Lighthill聲學(xué)模型進(jìn)行螺旋槳噪聲計(jì)算,噪聲源接收點(diǎn)在螺旋槳正下方,螺旋槳巡航和爬升轉(zhuǎn)速分別為2 700 r/min和3 900 r/min,來(lái)流風(fēng)速30 m/s,計(jì)算完畢后,通過(guò)快速傅里葉分析分析得到噪聲接收點(diǎn)的噪聲頻譜圖。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲的頻率f為

(10)

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；z為螺旋槳葉片數(shù),z= 2；i為頻率階數(shù)。

螺旋槳在巡航狀態(tài)和爬升狀態(tài)下的一階頻率為90 Hz和130 Hz。表1和表2分別為平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖螺旋槳在巡航狀態(tài)和爬升狀態(tài)下一階頻率附近的噪聲聲壓仿真值。

表1 3種槳尖形狀螺旋槳巡航狀態(tài)下大渦模擬仿真數(shù)據(jù)

表2 3種槳尖形狀螺旋槳爬升狀態(tài)下大渦模擬仿真數(shù)據(jù)

3 螺旋槳風(fēng)洞聲學(xué)試驗(yàn)

3.1 螺旋槳實(shí)物和風(fēng)洞聲學(xué)試驗(yàn)

加工出3種不同槳尖形狀的兩葉木質(zhì)螺旋槳風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?實(shí)物如圖4所示。

為了進(jìn)行3種不同槳尖形狀電動(dòng)飛機(jī)螺旋槳的噪聲研究,在中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院的低速增壓FL-9風(fēng)洞中進(jìn)行螺旋槳風(fēng)洞試驗(yàn)。螺旋槳風(fēng)洞聲學(xué)試驗(yàn)段和螺旋槳裝機(jī)狀態(tài)如圖5和圖6所示。

圖4 3種螺旋槳實(shí)物模型Fig.4 Three kinds of physical model propellers

圖5 螺旋槳風(fēng)洞聲學(xué)試驗(yàn)段Fig.5 Acoustic test section of propeller wind tunnel

圖6 平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖螺旋槳在風(fēng)洞中Fig.6 Conventional shaped, pointed shaped and swept shaped propellers in wind tunnel

3.2 噪聲試驗(yàn)設(shè)置及步驟

試驗(yàn)迎角α=0°、側(cè)滑角β=0°,試驗(yàn)風(fēng)速為30 m/s,試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為2 700 r/min和3 900 r/min。

螺旋槳風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎脝螛涡问?。試?yàn)時(shí)針對(duì)模型的各個(gè)狀態(tài),在風(fēng)速一定、螺旋槳轉(zhuǎn)速不同的情況下,測(cè)量并記錄槳葉旋轉(zhuǎn)平面距離槳轂中心的一倍槳盤(pán)直徑位置距離(960 mm)的噪聲聲壓級(jí)。

同時(shí)對(duì)傳聲器測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正和處理：

1) 傳聲器相位陣列、表面?zhèn)髀暺鳒y(cè)量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲壓信號(hào)。

2) 將傳聲器測(cè)量的聲壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),對(duì)傅里葉變化后的聲信號(hào)頻譜進(jìn)行分析。

3.3 噪聲試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)傳聲器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換分析,得到在來(lái)流30 m/s的情況下螺旋槳在巡航轉(zhuǎn)速和爬升轉(zhuǎn)速的聲學(xué)噪聲測(cè)量結(jié)果。平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖螺旋槳的噪聲聲壓水平(Sound Pressure Level,SPL)如圖7所示。

從圖7可以看出螺旋槳在巡航轉(zhuǎn)速下,尖型槳尖在一階的最大噪聲聲壓依次高于后掠槳尖和平直槳尖,平直槳尖最低,整體相差為1.57 dB。在其他頻率下尖形螺旋槳噪聲表現(xiàn)總體較其他兩槳要好。由圖8可以看出3種槳尖的螺旋槳爬升狀態(tài)下在一階頻率130 Hz的噪聲聲壓級(jí)基本一致,噪聲水平相同。

圖7 不同槳尖螺旋槳在轉(zhuǎn)速2 700 r/min的一階噪聲聲壓級(jí)頻譜對(duì)比Fig.7 Comparison of first-order noise sound pressure level spectra of different blade tip propellers at 2 700 r/min

4 螺旋槳聲學(xué)試驗(yàn)對(duì)比分析

4.1 巡航狀態(tài)

通過(guò)噪聲數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖的兩葉螺旋槳在巡航轉(zhuǎn)速下的頻譜對(duì)比,見(jiàn)圖9～圖11。

由數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)噪聲聲壓級(jí)對(duì)比分析可知,當(dāng)巡航狀態(tài)下螺旋槳處于一階頻率(90 Hz)時(shí),平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖的仿真值分別為99.22 dB、102.55 dB和100.46 dB,與風(fēng)洞試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為0.51%、1.23%和0.13%。

圖8 不同槳尖螺旋槳在轉(zhuǎn)速3 900 r/min的一階噪聲聲壓級(jí)頻譜對(duì)比Fig.8 Comparison of first-order noise sound tunnel pressure level spectra of different blade tip propellers at 3 900 r/min

圖9 平直槳尖螺旋槳在巡航狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)與大渦模擬的噪聲頻譜比較Fig.9 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of regular shaped propeller in cruise state

圖10 尖型槳尖螺旋槳巡航狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)與大渦模擬的噪聲頻譜比較Fig.10 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of pointed shaped propeller in cruise state

圖11 后掠槳尖螺旋槳在巡航狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)與大渦模擬的噪聲頻譜比較Fig.11 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of swept shaped propeller in cruise state

4.2 爬升狀態(tài)

通過(guò)噪聲數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖的兩葉螺旋槳在爬升轉(zhuǎn)速下的頻譜對(duì)比,見(jiàn)圖12～圖14。

圖12 平直槳尖螺旋槳在爬升狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)與大渦模擬的噪聲頻譜比較Fig.12 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of regular shaped propeller in climbing state

圖13 尖型槳尖螺旋槳在爬升狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)與大渦模擬的噪聲頻譜比較Fig.13 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of pointed shaped propeller in climbing state

數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)噪聲聲壓級(jí)對(duì)比分析,當(dāng)爬升狀態(tài)下螺旋槳處于一階頻率130 Hz時(shí),平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖的仿真值分別為108.89 dB、108.25 dB和107.15 dB,與風(fēng)洞試驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為0.70%、1.07%和1.44%。

4.3 螺旋槳拉力

圖14 后掠槳尖螺旋槳在爬升狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)與大渦模擬的噪聲頻譜比較Fig.14 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of swept shaped propeller in climbing state

螺旋槳的主要功能是為飛機(jī)提供拉力,降低噪聲不能以犧牲拉力為代價(jià),因此通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖的兩葉螺旋槳在來(lái)流風(fēng)速30 m/s和不同轉(zhuǎn)速下的拉力并對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖15?？梢缘玫诫S著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加,其拉力不斷增長(zhǎng),在來(lái)流風(fēng)速30 m/s的巡航轉(zhuǎn)速2 700 r/min時(shí),平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖的螺旋槳拉力分別為121.25 N、134.82 N和113.06 N,尖型槳尖拉力較大；但在爬升轉(zhuǎn)速3 900 r/min時(shí),平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖的螺旋槳拉力分別為396.16 N、388.64 N和384.82 N,此時(shí)平直槳尖螺旋槳拉力是三者中最大的。

考慮電動(dòng)飛機(jī)在爬升時(shí)需用拉力較大,適航對(duì)噪聲要求主要體現(xiàn)在地面滑跑和爬升階段,在爬升轉(zhuǎn)速3 900 r/min下平直槳尖螺旋槳拉力為三者最大,且在巡航和爬升狀態(tài)下,平直槳尖的整體噪聲水平較低；尖型槳尖拉力在巡航時(shí)較大,但在巡航和爬升階段的噪聲都為最高；綜合性能與噪聲兩種要求,平直槳尖整體表現(xiàn)較優(yōu)。

圖15 不同槳尖形狀的螺旋槳拉力Fig.15 Propeller thrust with different tip shapes

5 結(jié) 論

采用大渦模擬LES模型仿真和螺旋槳聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)電動(dòng)飛機(jī)平直槳尖、尖型槳尖和后掠槳尖形狀螺旋槳進(jìn)行了噪聲測(cè)量與對(duì)比分析。

1) 螺旋槳在巡航和爬升狀態(tài)下,平直槳尖的整體噪聲水平較低；在其他頻率范圍,尖形槳尖噪聲水平較低。綜合性能與噪聲兩種要求,平直槳尖略?xún)?yōu)于尖型槳尖,整體表現(xiàn)較優(yōu),平直槳尖螺旋槳更滿(mǎn)足電動(dòng)飛機(jī)對(duì)噪聲和性能的要求。

2) 驗(yàn)證了通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試分析電動(dòng)飛機(jī)螺旋槳不同槳尖外形聲學(xué)試驗(yàn)的可行性,為螺旋槳噪聲試驗(yàn)提供一定的參考。

3) LES模型數(shù)值模擬結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高,驗(yàn)證了大渦模擬在螺旋槳噪聲計(jì)算中具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。