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直升机旋翼气动噪声预测方法研究

作　者: 韩忠华
导　师: 宋文萍
学　校: 西北工业大学
专　业: 流体力学
关键词: 旋翼气动噪声 Kirchhoff公式 FW-H方程双时间法
分类号: V211.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

本文结合CFD(计算流体力学)技术与气动噪声时域理论，求解直升机旋翼悬停和前飞流场及流场气动噪声。采用“双时间法”求解了旋翼绕流的三维非定常欧拉方程。为了多桨旋翼旋转、变距等复合运动的准确描述，采用了多块分区运动网格技术。噪声计算以旋翼流动解为基础，采用了气动噪声时域理论提供的三种预测方法，包括求解Ffowcs Williams-Hawkings方程的Farassat方法、求解广义波动方程的Kirchhoff方法以及结合前两种方法的K-FWH方法。文中进行了这几种预测方法的详尽推导和说明，并给出了旋转点源、悬停和前飞旋翼的噪声预测算例。本文的主要工作表现在以下几个方面： 1．采用三维非定常欧拉方程数值模拟了旋翼前飞非定常流动。流动计算采用了多块分区运动网格技术。流动计算采用惯性坐标系作为参考系，这样控制方程没有出现由坐标系旋转带来的源项。通量项计算直接在惯性坐标系下进行，没有投影到旋转坐标系下，方便了计算。通过无升力前飞和有升力前飞的算例表明，流动计算结果正确、可信，这为求解气动噪声奠定了基础。 2．采用广义函数理论推导了Ffowcs Williams-Hawkings方程(简称FW-H方程)，并运用自由空间格林函数积分的方法得出了FW-H方程的解；推导了广义波动方程—Kirchhoff方程和它的解；从理论上分析了FW-H方程和Kirchhoff方程的联系，并推导了新的噪声计算公式—K-FWH公式。 3．提出了采用多个气动声学公式预测旋翼噪声的统一算法，独立研制了气动噪声预测程序NOSPRE。NOSPRE集成了三种噪声预测方法，可采用固定或旋转的声源面来预测跨音速旋翼悬停和前飞时的气动噪声。NOSPRE还具有模块化的主体框架，易于扩充和发展。 4．采用旋转点源、UH-1H悬停旋翼、AH-1/OLS前飞旋翼作为算例，对所采用的各种噪声预测方法进行了比较。数值研究表明：Farassat 1A公式在预测线性噪声方面简单有效，适用于亚音速旋翼的噪声预测；Kirchhoff公式和K-FWH公式均能够预测跨音速旋翼声场，并且具有较高的精度；当声源面位于流动非线性时，Kirchhoff公式会导致很大的计算误差，而K-FWH公式不存在这样的问题。

全文目录

第一章绪论  8-15
  1.1 直升机的噪声源  8-9
  1.2 旋翼气动噪声预测方法的发展  9-11
  1.3 本文的主要工作  11-12
  绪论参考文献  12-15
第二章直升机旋翼流动数值模拟  15-46
  2.1 引言  15-16
  2.2 运动网格技术  16-26
    2.2.1 无限插值理论  17-20
    2.2.2 基于无限插值理论生成绕翼型二维O网格  20-22
    2.2.3 网格平均  22-23
    2.2.4 曲面变换与网格搭接  23-25
    2.2.5 网格变形技术  25-26
  2.3 控制方程  26-29
  2.4 空间离散  29-31
  2.5 边界条件  31-33
    2.5.1 物面边界条件  31-32
    2.5.2 连续性边界条件  32
    2.5.3 远场边界条件  32-33
  2.6 人工耗散  33-35
  2.7 隐式物理时间离散和双时间推进  35-36
  2.8 时间积分  36-37
  2.9 几何守恒法则  37-38
  2.10 算例与分析  38-42
  附录: 旋转通量计算  42-45
  本章参考文献  45-46
第三章气动噪声预测的时域理论  46-68
  3.1 引言  46-48
    (一) 基于FW-H方程的声学类比方法  46-47
    (二) Kirchhoff方法  47-48
    (三) 新的噪声预测方法-K-FWH方法  48
  3.2 气动声学发展简要回顾  48-49
  3.3 FW-H方程  49-60
    3.3.1 FW-H方程的推导  49-52
    3.3.2 FW-H方程的求解  52-54
    3.3.3 时域积分公式的三种表达式  54-56
    3.3.4 厚度噪声和载荷噪声的解(Farasat 1和1A公式)  56-60
  3.4 Kirchhoff公式  60-62
  3.5 FW-H方程求解方法的改进  62-65
    3.5.1 新的气动声学积分公式  62-64
    3.5.2 FW-H方程与Kirchhoff公式的联系  64-65
  本章参考文献  65-68
第四章直升机旋翼气动噪声预测  68-89
  4.1 延迟时积分公式的物理意义  68-69
  4.2 声源面的选取  69-70
  4.3 延迟时方程的求解  70-72
  4.4 气动数据准备  72-74
  4.5 噪声预测程序NOSPRE  74-76
  4.6 算例  76-80
    4.6.1 旋转的点源  76-77
    4.6.2 旋翼悬停噪声预测  77-79
    4.6.3 旋翼前飞噪声预测  79-80
  本章参考文献  80-82
  本章算例附图  82-89
第五章总结与展望  89-91
  5.1 本文工作总结  89
  5.2 几点研究结论  89-90
  5.3 进一步研究展望  90-91
致谢  91-92
硕士阶段所获奖励  92
硕士阶段所发表的论文  92-94

直升机旋翼气动噪声预测方法研究

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