变距四旋翼飞行器气动力及噪声特性计算研究.docx

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变距四旋翼飞行器气动力及噪声特性计算研究

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赵俊李志彬

Summary：基于计算流体力学（CFD）建立了适用于多旋翼飞行器的流场计算模型，采用嵌套网格方法模拟旋翼运动、双时间方法进行时间推进，分析变距四旋翼飞行器的气动力特性。在此基础上，采用FW-H（FfowcsWilliams-Hawkings）方程计算了变距四旋翼飞行器的噪声特性（包括考虑和不考虑旋翼间气动干扰两种情况）。计算结果表明，由于旋翼间的气动干扰，致使变距四旋翼的载荷噪声较大，进而导致总噪声较大。在对变距四旋翼飞行器噪声进行仿真时，考虑旋翼间气动干扰是必要的。

Key：变距四旋翼；计算流体力学；FW-H方程；噪声特性；气动干扰

：211.52：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.04.008

基金项目：航空科学基金（20200057002001）；国防基础科研计划资助（JCKY2019205D002）

相比于固定翼飞机，多旋翼飞行器可以实现定点悬停、垂直起降，具有机动性高的特点；相比于常规直升机，它具有尺寸小、结构简单、操控简单和成本低的特点。这些特征使得多旋翼飞行器得到迅猛发展，工业和商业应用领域的需求逐年增长[1-2]。

为了提高多旋翼飞行器的续航时间和可靠性，了解旋翼的气动性能对初步设计、气动优化、结构分析和控制设计具有重要意义[3-4]。此外，商用多旋翼飞行器可能会在人口密集的地区飞行，其产生的气动噪声也会引起周围社区的关注[5-6]。因此，针对目前多旋翼飞行器对旋翼的高要求，对旋翼的气动和声学性能进行研究是非常必要的。

与单旋翼直升机相比，多旋翼构型中旋翼与旋翼间的相互作用现象严重，导致尾迹流场高度复杂。此外，旋翼间的相互作用效应可能会引起明显的升力波动以及噪声水平的变化。因此，需要对旋翼干扰作用引起的尾迹非定常特性进行深入研究，为低噪声多旋翼系统的设计提供技术基础。

在国外，先前关于多旋翼飞行器的气动及声学特性研究大多采用试验方法进行，并且集中于气动方面。C.Russell等[7]测量获得了商用多旋翼模型在不同风速、旋翼转速和飞行器姿态下的性能。D.Shukla等[8]研究了多旋翼无人机复杂的气动特性，并利用流动可视化和高速立体粒子图像测速法（PIV）获取了详细的流体结构、涡旋演变以及涡旋之间的相互作用。S.Yoon等[9]用分离涡模拟方法研究了悬停状态下倾转旋翼机的气动干扰作用。N.W.Intaratep等[10]测量了一架四旋翼飞行器的气动力和声学特性，虽然他们对比分析了四旋翼飞行器设置为1、2和4副旋翼时声学特性的区别，但没有分析出旋翼间的气动干扰对声学特性的影响。在国内，杨璐鸿[11]開展了纵列式六旋翼大载荷无人机气动特性数值模拟及其优化研究。T.Zhou等[12]采用试验测量与数值预测相结合的方法，研究了旋翼间距对双旋翼构型的气动性能和噪声特性的影响，但是仍然缺乏考虑气动干扰的前后对比分析。

1计算方法

1.1流场计算方法

多旋翼构型中旋翼与旋翼间的相互作用现象严重，导致多旋翼飞行器的流场高度复杂。计算中采用惯性坐标系下的三维非定常雷诺平均N-S（Navier-Stokes）方程作为主控方程。

在流场计算时，对网格单元内流场变量进行重构时采用二阶MUSCL（monotoneupwindschemesforscalarconservationlaws）格式，计算网格交界面上对流通量时采用低耗散的Roe格式，模拟流场的高度非定常效应时采用双时间法。同时，湍流模型采用S-A（spalart-allmaras）一方程模型。采用无穷远处无干扰流场作为初始条件，以无滑移边界条件为物面处的运动学边界条件[13]。

为提高流场计算效率，在双时间法中的伪时间步引入高效的LU-SGS隐式时间格式来加快流场求解的收敛速度；同时，采用OpenMP并行策略对流场的求解过程进行加速处理。

采用嵌套网格技术对多旋翼飞行器流场空间进行离散。根据旋翼桨叶几何特点，采用“平铺法”生成C-O或CH型桨叶三维网格[13]。背景网格采用笛卡儿网格类型，在旋翼位置进行网格局部加密。

1.2声学计算方法

以上公式的详细推导和参数定义可参见Reference[14]，噪声计算中选取桨叶贴体网格作为声源积分面，声源面随桨叶运动，声源面的输入参数由流场中获得。F1A公式易于求解、物理意义明确，被广泛应用于直升机旋翼、螺旋桨等旋转叶片的声学研究中。

1.3计算方法验证

本文选取中国直升机设计研究所在中国空气动力研究与发展中心4m×5.5m声学风洞的旋翼试验数据对计算结果进行验证。试验中采用2m级直径模型旋翼，测量了旋翼的性能数据和噪声数据。模型旋翼有5片桨叶，桨叶弦长0.062m，桨尖抛物线后掠，采用线性扭转