面向电动飞机应用的不同叶尖螺旋桨噪声特性

刘远强,王艳冰,项松,王梦琪

1. 沈阳航空航天大学 航空宇航学院,沈阳 110136 2. 辽宁通用航空研究院,沈阳 110136 3. 辽宁锐翔通用飞机制造有限公司,沈阳 110136 4. 沈阳航空航天大学 机电工程学院,沈阳 110136

通用航空产业是国家战略新兴产业,是建设交通强国的重要组成部分,是民用航空产业发展的重要环节。随着国民收入的稳步提高,消费理念的逐年提升将促使通用航空市场迎来空前发展。电动飞机研发属于通用航空领域新的技术蓝海,由于电动飞机具有零排放、低噪音、运营成本低廉且维护方便等优点,近年来在全球兴起了相关技术研究热潮,目前有240多个在研电推进飞机项目,就研发水平而言,国内外各研究机构和企业均处于起步阶段[1-4]。开展新能源电动飞机相关核心技术攻关与自主知识产权产品研发是促进学科建设、加快科技成果转化、提升新型飞行器国际竞争力的关键要素。

传统通用飞机大多采用螺旋桨作为动力装置,具有低油耗、高效率、易操作、气动特性好等优点[5-7],但螺旋桨和发动机在高速转动过程中会产生较大噪声,影响通航飞机的驾驶体验。由于传统油动螺旋桨飞机的发动机噪声较大且难控制,因此应当同时对发动机和螺旋桨进行降噪以降低飞机整体噪声水平。静音是电动飞机的典型特征之一,相比于油动飞机,电动飞机的推进系统由电机、控制器与螺旋桨构成,其噪声绝大部分来源于螺旋桨,低噪声螺旋桨在电动飞机上的应用有助于维持其静音特征并提升乘坐的舒适性,控制好螺旋桨噪声对于电动飞机的实用与推广具有重要意义。

目前,国内外众多学者在螺旋桨试验和噪声特性方面开展了较丰富的研究,龚喜盈等[8]对高空飞艇螺旋桨进行了试验,设计组建的高空螺旋桨车载试验测控系统具有较好的准确性。项松等[9]提出一种高效率的螺旋桨设计方法,设计出通用飞机在爬升状态下和巡航状态下的螺旋桨,用风洞试验证明了其有效性。刘远强等[10]对某型电动飞机螺旋进行了数值模拟和螺旋桨缩比试验,可为螺旋桨设计提供指导。Wisniewski等[11]分析了桨叶参数对螺旋桨气动数据性能和气动噪声的影响。王阳等[12]将非结构网格旋翼流场CFD(Computational Fluid Dynamics)计算方法与基于Fowcs Williams-Hawkings(FW-H)和Kirchhoff方程的声学方法相结合,计算了螺旋桨气动噪声并分析了螺旋桨厚度噪声、载荷噪声和四极子噪声的特性。伍文华等[13]采用计算流体力学方法,运用Fluent软件和大涡模型(Large Eddy Simulation,LES)数值模拟了某轴流风扇的气动噪声,分析了噪声产生的机理,验证了CFD的正确性。Kingan和Parry[14]利用螺旋桨的反向旋转效应研究了螺旋桨桨叶扫略增强或降低的噪声辐射和利用扫频控制噪声的方法。Sakamoto和Kamiirisa[15]基于半经验的黏性CFD方法对近场螺旋桨空化噪声及其模型进行预测,并通过了试验验证。刘沛清等[16]对低雷诺数螺旋桨气动噪声特性进行了实验研究,为寻求降低螺旋桨气动噪声的方法提供了思路。Pereda Albarr-án等[17]利用多学科初步飞机设计和优化工具MICADO对小型电动飞机进行了噪声评估与设计。Samokhin[18]通过一种半经验的方法对螺旋桨的噪声进行了估算并与试验结果进行了对比,验证了方法的准确性。艾延廷等[19]开展了某型螺旋桨飞机气动噪声降噪研究,采用FW-H模型、非定常滑移网格及大涡模拟方法获得了气动噪声频谱特征；通过地面远场噪声试验得到了螺旋桨在3种转速下的气动噪声频域特性和声压强度分布规律。曹云飞等[20]提出了一种基于小波滤波和三参数正弦拟合法的最小数据波动噪声数据选取方法,提高了噪声模型的辨识精度。但以上工作均未涉及螺旋桨桨尖形状对噪声特性的影响分析。

螺旋桨噪声作为电动飞机噪声的主要来源,控制好此部分即可很好地降低整体噪声,有利于进一步提升电动飞机安静环保的优势。为更合理地选取电动飞机螺旋桨,分析不同螺旋桨桨尖形状特征对噪声的影响,本文设计并创建平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖3种最典型桨尖形状螺旋桨的模型,采用LES模型对3款不同桨尖形状的螺旋桨模型开展气动噪声计算,以期获得在巡航转速和爬升转速下螺旋桨一阶频率附近的噪声声压值。制造螺旋桨风洞试验实体模型,在空气动力研究院低速增压FL-9风洞中分别对3种不同桨尖形状的螺旋桨进行气动噪声测量试验,获得不同桨尖形状的气动噪声特性,并将大涡模拟仿真计算与风洞试验数据进行对比。

1 计算模型构造

根据螺旋桨设计理论设计得出平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖螺旋桨,3款螺旋桨各展向站位的弦长和桨叶角相同。通过创成式曲面造型技术构建通用飞机螺旋桨的CATIA模型,桨叶数为2,直径为960 mm,平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖形状螺旋桨CATIA模型如图1所示。

2 大涡模拟理论

2.1 控制方程

LES通过湍流瞬时运动量的分解将湍流的大涡和小涡分离开,直接数值计算大尺度湍流运动并利用运动模型模拟小尺度湍流运动。大涡模拟的控制方程即滤波后的Navier-Stokes方程为

(1)

(2)

式中：t为时间；ρ为流体密度,当流体不可压缩时,∂ρ/∂t=0；xi和xj为位置分量；ui和uj为速度分量；上标—代表取平均值；p为压力；μ为运动黏度系数。

2.2 亚格子尺度模型

(3)

图1 3种螺旋桨CATIA模型Fig.1 CATIA model of three propellers

(4)

(5)

(6)

Δf=V1/3

(7)

式中：Ck为模型常数；ksgs为亚格子尺度动能；Δf为过滤尺寸；V为计算单元的体积。

(8)

通过求解输运方程得到ksgs：

(9)

式中：Cε为模型常数。

2.3 计算模型

为使数值模拟仿真结果更好地与后续将开展的螺旋桨风洞试验进行对比和结果分析,参照平直噪声风洞试验的接收传声器布置,计算模型将接收点设置在桨叶旋转平面距离桨毂中心一倍距离(960 mm)的正下方,位置见图2,3种螺旋桨设定为在来流风速30 m/s情况下的巡航转速2 700 r/min 和爬升转速3 900 r/min。

采用ANSYS MESHING软件对整体模型划分混合网格,通过滑移网格处理螺旋桨旋转区域,旋转域采用四面体网格,远域采用规则六面体网格,如图3所示,网格数量约为500万。

基于混合网格并采用有限体积法,选用非定常求解器,压力隐式计算,离散格式为三阶,湍流模型采用大涡模型,压力插值格式为PRESTO!,亚格子涡黏系数中的模型常数修正为Cs=0.1。时间步长Δt=1×10-6,迭代步数N=500,最大频率范围为Fmax=1/(2Δt)=5×105Hz；流场发展时间T=ΔtN=0.000 5 s。

图2 螺旋桨试验模型Fig.2 Propeller test model

图3 螺旋桨整体网格结构Fig.3 Propeller overall grid structure

2.4 计算结果

大涡模拟计算结束后,开启Lighthill声学模型进行螺旋桨噪声计算,噪声源接收点在螺旋桨正下方,螺旋桨巡航和爬升转速分别为2 700 r/min和3 900 r/min,来流风速30 m/s,计算完毕后,通过快速傅里叶分析分析得到噪声接收点的噪声频谱图。

旋转机械噪声的频率f为

(10)

式中：n为螺旋桨转速；z为螺旋桨叶片数,z= 2；i为频率阶数。

螺旋桨在巡航状态和爬升状态下的一阶频率为90 Hz和130 Hz。表1和表2分别为平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖螺旋桨在巡航状态和爬升状态下一阶频率附近的噪声声压仿真值。

表1 3种桨尖形状螺旋桨巡航状态下大涡模拟仿真数据

表2 3种桨尖形状螺旋桨爬升状态下大涡模拟仿真数据

3 螺旋桨风洞声学试验

3.1 螺旋桨实物和风洞声学试验

加工出3种不同桨尖形状的两叶木质螺旋桨风洞试验模型,实物如图4所示。

为了进行3种不同桨尖形状电动飞机螺旋桨的噪声研究,在中国航空工业空气动力研究院的低速增压FL-9风洞中进行螺旋桨风洞试验。螺旋桨风洞声学试验段和螺旋桨装机状态如图5和图6所示。

图4 3种螺旋桨实物模型Fig.4 Three kinds of physical model propellers

图5 螺旋桨风洞声学试验段Fig.5 Acoustic test section of propeller wind tunnel

图6 平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖螺旋桨在风洞中Fig.6 Conventional shaped, pointed shaped and swept shaped propellers in wind tunnel

3.2 噪声试验设置及步骤

试验迎角α=0°、侧滑角β=0°,试验风速为30 m/s,试验转速为2 700 r/min和3 900 r/min。

螺旋桨风洞试验模型采用单桨支撑形式。试验时针对模型的各个状态,在风速一定、螺旋桨转速不同的情况下,测量并记录桨叶旋转平面距离桨毂中心的一倍桨盘直径位置距离(960 mm)的噪声声压级。

同时对传声器测量的试验数据进行了修正和处理：

1) 传声器相位阵列、表面传声器测量电信号转换成声压信号。

2) 将传声器测量的声压信号进行快速傅里叶变换,转换为频域信号,对傅里叶变化后的声信号频谱进行分析。

3.3 噪声试验结果

通过对传声器的测量数据进行快速傅里叶变换分析,得到在来流30 m/s的情况下螺旋桨在巡航转速和爬升转速的声学噪声测量结果。平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖螺旋桨的噪声声压水平(Sound Pressure Level,SPL)如图7所示。

从图7可以看出螺旋桨在巡航转速下,尖型桨尖在一阶的最大噪声声压依次高于后掠桨尖和平直桨尖,平直桨尖最低,整体相差为1.57 dB。在其他频率下尖形螺旋桨噪声表现总体较其他两桨要好。由图8可以看出3种桨尖的螺旋桨爬升状态下在一阶频率130 Hz的噪声声压级基本一致,噪声水平相同。

图7 不同桨尖螺旋桨在转速2 700 r/min的一阶噪声声压级频谱对比Fig.7 Comparison of first-order noise sound pressure level spectra of different blade tip propellers at 2 700 r/min

4 螺旋桨声学试验对比分析

4.1 巡航状态

通过噪声数值模拟和风洞试验测得的平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖的两叶螺旋桨在巡航转速下的频谱对比,见图9～图11。

由数值仿真和风洞试验噪声声压级对比分析可知,当巡航状态下螺旋桨处于一阶频率(90 Hz)时,平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖的仿真值分别为99.22 dB、102.55 dB和100.46 dB,与风洞试验值的相对误差分别为0.51%、1.23%和0.13%。

图8 不同桨尖螺旋桨在转速3 900 r/min的一阶噪声声压级频谱对比Fig.8 Comparison of first-order noise sound tunnel pressure level spectra of different blade tip propellers at 3 900 r/min

图9 平直桨尖螺旋桨在巡航状态风洞试验与大涡模拟的噪声频谱比较Fig.9 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of regular shaped propeller in cruise state

图10 尖型桨尖螺旋桨巡航状态风洞试验与大涡模拟的噪声频谱比较Fig.10 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of pointed shaped propeller in cruise state

图11 后掠桨尖螺旋桨在巡航状态风洞试验与大涡模拟的噪声频谱比较Fig.11 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of swept shaped propeller in cruise state

4.2 爬升状态

通过噪声数值模拟和风洞试验测得的平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖的两叶螺旋桨在爬升转速下的频谱对比,见图12～图14。

图12 平直桨尖螺旋桨在爬升状态风洞试验与大涡模拟的噪声频谱比较Fig.12 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of regular shaped propeller in climbing state

图13 尖型桨尖螺旋桨在爬升状态风洞试验与大涡模拟的噪声频谱比较Fig.13 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of pointed shaped propeller in climbing state

数值仿真和风洞试验噪声声压级对比分析,当爬升状态下螺旋桨处于一阶频率130 Hz时,平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖的仿真值分别为108.89 dB、108.25 dB和107.15 dB,与风洞试验值的相对误差分别为0.70%、1.07%和1.44%。

4.3 螺旋桨拉力

图14 后掠桨尖螺旋桨在爬升状态风洞试验与大涡模拟的噪声频谱比较Fig.14 Comparison of noise spectra of wind tunnel test and large eddy simulation of swept shaped propeller in climbing state

螺旋桨的主要功能是为飞机提供拉力,降低噪声不能以牺牲拉力为代价,因此通过风洞试验测得平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖的两叶螺旋桨在来流风速30 m/s和不同转速下的拉力并对比,结果见图15。可以得到随着螺旋桨转速的增加,其拉力不断增长,在来流风速30 m/s的巡航转速2 700 r/min时,平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖的螺旋桨拉力分别为121.25 N、134.82 N和113.06 N,尖型桨尖拉力较大；但在爬升转速3 900 r/min时,平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖的螺旋桨拉力分别为396.16 N、388.64 N和384.82 N,此时平直桨尖螺旋桨拉力是三者中最大的。

考虑电动飞机在爬升时需用拉力较大,适航对噪声要求主要体现在地面滑跑和爬升阶段,在爬升转速3 900 r/min下平直桨尖螺旋桨拉力为三者最大,且在巡航和爬升状态下,平直桨尖的整体噪声水平较低；尖型桨尖拉力在巡航时较大,但在巡航和爬升阶段的噪声都为最高；综合性能与噪声两种要求,平直桨尖整体表现较优。

图15 不同桨尖形状的螺旋桨拉力Fig.15 Propeller thrust with different tip shapes

5 结 论

采用大涡模拟LES模型仿真和螺旋桨声学风洞试验对电动飞机平直桨尖、尖型桨尖和后掠桨尖形状螺旋桨进行了噪声测量与对比分析。

1) 螺旋桨在巡航和爬升状态下,平直桨尖的整体噪声水平较低；在其他频率范围,尖形桨尖噪声水平较低。综合性能与噪声两种要求,平直桨尖略优于尖型桨尖,整体表现较优,平直桨尖螺旋桨更满足电动飞机对噪声和性能的要求。

2) 验证了通过风洞试验测试分析电动飞机螺旋桨不同桨尖外形声学试验的可行性,为螺旋桨噪声试验提供一定的参考。

3) LES模型数值模拟结果与仿真结果吻合度较高,验证了大涡模拟在螺旋桨噪声计算中具有较好的工程应用价值。