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飞行参数对旋翼桨-涡干扰噪声特性的影响机理研究

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航空学报 2013年第11期34卷 2520-2528页

作者：史勇杰徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室江苏南京210016

针对旋翼桨-涡干扰(BVI)现象的复杂特征,建立了一个耦合欧拉-拉格朗日数值方法用于干扰过程中脉冲气动载荷的计算。该方法将旋翼流场计算域分为两部分:在桨叶附近区域,通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场中旋翼桨尖涡的形成;在尾迹输... 详细信息

针对旋翼桨-涡干扰(BVI)现象的复杂特征,建立了一个耦合欧拉-拉格朗日数值方法用于干扰过程中脉冲气动载荷的计算。该方法将旋翼流场计算域分为两部分:在桨叶附近区域,通过求解Navier-Stokes方程来模拟流场中旋翼桨尖涡的形成;在尾迹输运区,采用自由尾迹模型表示尾迹涡的运动及其影响。噪声的计算采用基于声学类比法的FWH方程。应用上述方法以AH-1/OLS旋翼为研究对象,分析了桨盘迎角、前进比和拉力系数3个飞行参数对BVI噪声特性的影响。计算结果表明:BVI噪声具有很强指向性,受桨盘上多处干扰的共同作用,噪声可能向直升机前下方多个方向传播;通过调整下降角度和前飞速度,增大平行干扰的垂直干扰距离,可有效地规避强BVI的出现;拉力系数变化会引起传播方向的改变,而对干扰噪声的强度影响不大。

关键词：桨-涡干扰旋翼噪声耦合欧拉拉格朗日方法计算流体力学自由尾迹直升机

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旋翼平行桨-涡干扰噪声的参数影响

南京航空航天大学学报 2011年第2期43卷 143-148页

作者：史勇杰徐国华招启军南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室南京210016

建立了一个新的基于Euler和FW-H方程的旋翼平行桨-涡干扰噪声的计算方法。为减小由于空间离散格式精度和网格密度引起的涡数值耗散,使用了预定涡方法。桨-涡干扰噪声的计算则采用基于声学类比法的FW-H方程。以Kitaplioglu的平行桨-涡干... 详细信息

建立了一个新的基于Euler和FW-H方程的旋翼平行桨-涡干扰噪声的计算方法。为减小由于空间离散格式精度和网格密度引起的涡数值耗散,使用了预定涡方法。桨-涡干扰噪声的计算则采用基于声学类比法的FW-H方程。以Kitaplioglu的平行桨-涡干扰试验模型为算例,验证了方法的有效性。在此基础上,分析了干扰距离、涡强、桨尖马赫数和涡旋转方向对桨-涡干扰噪声的影响,并得出结论:增大干扰距离可有效地降低桨-涡干扰噪声,当干扰距离大于数倍弦长时,噪声幅值与干扰距离的平方成反比;涡强仅改变噪声大小,对噪声的脉冲特性无影响;而桨尖马赫数对噪声幅值和方向都有影响,且噪声幅值与马赫数的7次方成正比。

关键词：旋翼平行桨-涡干扰桨-涡干扰噪声预定涡方法 FW-H方程 Euler方程

剪刀式尾桨悬停状态气动力及噪声特性计算研究

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航空学报 2013年第9期34卷 2100-2109页

作者：樊枫史勇杰徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室江苏南京210016

建立了一个基于计算流体力学(CFD)/FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的预测剪刀式尾桨悬停状态气动性能和噪声特性的分析方法。该方法首先采用CFD方法对尾桨流场进行求解,并应用嵌套网格技术对流场空间进行离散。控制方程采用非惯性... 详细信息

建立了一个基于计算流体力学(CFD)/FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的预测剪刀式尾桨悬停状态气动性能和噪声特性的分析方法。该方法首先采用CFD方法对尾桨流场进行求解,并应用嵌套网格技术对流场空间进行离散。控制方程采用非惯性坐标系下的Navier-Stokes方程,空间方向采用二阶迎风格式(Roe格式)进行求解,时间方向采用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式进行推进。在此基础上,采用FW-H方程将尾桨噪声声压扰动传播至远场,以获得尾桨的噪声特性。应用该方法对两种剪刀式尾桨构型('L'构型和'U'构型)进行了计算研究,对比分析了剪刀式尾桨在气动力和噪声方面与常规尾桨的差别,以及两个重要构型参数(剪刀角和轴向间距)对剪刀式尾桨气动力和噪声的影响规律。计算结果表明,构型参数对剪刀式尾桨气动力和噪声特性影响很大,合理地选择构型参数可以降低尾桨噪声水平。

关键词：剪刀式尾桨气动特性噪声特性 FW—H方程计算流体力学

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旋翼桨尖涡生成及演化机理的高精度数值研究

航空学报 2017年第7期38卷 43-53页

作者：叶舟徐国华史勇杰南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室南京210016

为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程,建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中,流场求解选取旋转坐标系下的Navier-Stokes方程为控制方程;空间离散采用迎风Roe格式,... 详细信息

为了细致捕捉直升机旋翼桨尖涡的生成和演化过程,建立了一个基于高精度网格和高阶通量计算格式的旋翼桨尖涡计算流体力学(CFD)求解方法。在该方法中,流场求解选取旋转坐标系下的Navier-Stokes方程为控制方程;空间离散采用迎风Roe格式,并采用低耗散的5阶WENO(Weighted Essentially Non-Osciltatory)格式进行对流通量的计算;时间推进则采用双时间法,在伪时间步上使用隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)推进格式;应用嵌套网格方法实现桨叶网格和背景网格的数据交换。应用所建立的方法对悬停状态的旋翼桨尖涡流场进行了高精度模拟,在桨叶网格上精细地捕捉到了桨尖涡的具体生成过程,在背景网格上捕捉到了更多圈数的桨尖涡尾迹,并对桨尖涡的演化机理进行了深入研究。结果表明:建立的高精度数值方法能够有效地对旋翼桨尖涡的生成和演化过程进行细致模拟;悬停状态下旋翼桨尖气流在上下表面压力梯度的作用下经历了边界层增厚、逐渐卷起形成涡核以及最终脱离桨叶形成桨尖涡的过程。

关键词：桨尖涡 WENO格式嵌套网格计算流体力学旋翼直升机

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复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

航空学报 2013年第7期34卷 1538-1547页

作者：魏鹏史勇杰徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室江苏南京210016

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素"桨叶复杂近体流动"和"尾迹涡畸变",结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体... 详细信息

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素"桨叶复杂近体流动"和"尾迹涡畸变",结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法。应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性。此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势。

关键词：耦合欧拉-拉格朗日方法黏性涡方法旋翼尾迹旋翼流场直升机

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基于二级声辐射模型的地面声场高效预测方法

北京航空航天大学学报 2016年第11期42卷 2445-2453页

作者：王菲史勇杰徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室南京210016

建立了可用于直升机运动状态下噪声传播特性分析的高效地面声场预测方法。该方法包括计算旋翼气动、噪声的自由尾迹方法和时域FW-H方程;计入大气、地面等环境因素的声传播模型及地面声场计算模型;为提高计算效率,在声源计算与噪声传播... 详细信息

建立了可用于直升机运动状态下噪声传播特性分析的高效地面声场预测方法。该方法包括计算旋翼气动、噪声的自由尾迹方法和时域FW-H方程;计入大气、地面等环境因素的声传播模型及地面声场计算模型;为提高计算效率,在声源计算与噪声传播之间引入基于"紧致球声源"的二级声辐射模型;在此基础上,还提出了通过建立"特征参数声辐射球库"以实现直升机运动状态下噪声实时预测的方法。以AH-1旋翼为算例,通过与地面声场直接计算法对比,说明了方法的有效性及高效性;此外,文中还分析了大气、地面等环境因素对噪声传播以及地面声场特性的影响。

关键词：噪声旋翼二级声辐射球大气吸声地面吸声、反射

旋翼VPM/CFD耦合模型的建立及其在小前进比气动分析中的应用

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航空学报 2014年第6期35卷 1530-1538页

作者：肖宇徐国华史勇杰南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室江苏南京210016

为了提高旋翼计算流体力学(CFD)流场计算效率及克服其在尾迹捕捉上的不足,将旋翼黏性涡粒子方法(VPM)与CFD分析相结合,建立了一个新的旋翼VPM/CFD耦合气动分析模型。在该模型中,采用VPM分析以实现对旋翼尾迹中黏性涡的高效捕捉而不引入... 详细信息

为了提高旋翼计算流体力学(CFD)流场计算效率及克服其在尾迹捕捉上的不足,将旋翼黏性涡粒子方法(VPM)与CFD分析相结合,建立了一个新的旋翼VPM/CFD耦合气动分析模型。在该模型中,采用VPM分析以实现对旋翼尾迹中黏性涡的高效捕捉而不引入数值耗散,而采用CFD分析用于精确地模拟旋翼桨叶近体区域内复杂的流动现象,同时也为VPM分析提供一个较高精度的涡源模型。至于两者信息交换,则使用集中涡源法将CFD信息传递至VPM分析,而VPM计算得到的尾迹信息则通过边界修正施加至CFD域的远场边界上,从而可以鲁棒地实现CFD域与VPM域的耦合计算。在此基础上,对"Helishape 7A旋翼"小前进比前飞桨-涡干扰(BVI)状态进行了较为深入的气动分析,计算结果表明:与全CFD计算比较,建立的VPM/CFD耦合分析模型可以有效地避免旋翼尾迹区桨尖涡的数值耗散,从而更加可靠地捕捉桨-涡干扰状态下的桨叶非定常气动载荷脉动,同时对于本文算例,计算效率可以提高30%以上。

关键词：计算流体力学 VPM/CFD耦合旋翼桨-涡干扰集中涡源模型边界修正

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耦合高效配平策略的旋翼气动特性分析方法

航空动力学报 2017年第4期32卷 882-889页

作者：叶舟史勇杰徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室南京210016

建立了一个耦合高效配平策略和计算流体力学(CFD)技术的旋翼气动特性分析方法.采用CFD求解器进行雅克比矩阵和旋翼流场的计算,建立了一个包含直接配平法的旋翼气动特性分析平台;引入差量法思想对配平策略进行简化,发展了一种差量配平法... 详细信息

建立了一个耦合高效配平策略和计算流体力学(CFD)技术的旋翼气动特性分析方法.采用CFD求解器进行雅克比矩阵和旋翼流场的计算,建立了一个包含直接配平法的旋翼气动特性分析平台;引入差量法思想对配平策略进行简化,发展了一种差量配平法,解决了直接配平法中雅克比矩阵计算效率低下的问题,显著缩短了计算时间.旋翼流场求解中控制方程采用Navier-Stokes方程,空间离散格式选取2阶迎风Roe格式,时间推进采用隐式lower-upper symmetric Gauss-Seidel(LU-SGS)格式,湍流模型为Baldwin-Lomax(B-L)模型.分别采用建立的基于直接配平方法和差量配平方法的气动特性分析平台对AH-1G和Helishape 7A直升机的旋翼进行了配平计算和研究,对比分析了两种配平方法的计算效率和精度及背景网格的网格量对配平结果的影响.结果表明:与直接配平法相比,耦合差量配平法的气动特性分析方法计算圈数更少,可节省至少60%的计算时间;使用疏化的背景网格虽然不利于捕捉流场细节,但是可以在兼顾配平结果准确性的同时,降低配平计算代价,提高旋翼配平和流场计算的效率.

关键词：旋翼配平气动特性 Navier-Stokes方程直升机

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旋翼桨-涡干扰气动特性计算及参数影响研究

航空学报 2010年第6期31卷 1106-1114页

作者：史勇杰招启军徐国华南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家重点实验室江苏南京210016

建立了一个适用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动特性分析的数值方法。在该方法中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常Euler方程,以适合于分析BVI流场的特点;为便于前飞流场分区求解和信息传递,使用了嵌套网格方法;对于流场中涡线的模拟,建立了... 详细信息

建立了一个适用于旋翼桨-涡干扰(BVI)气动特性分析的数值方法。在该方法中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常Euler方程,以适合于分析BVI流场的特点;为便于前飞流场分区求解和信息传递,使用了嵌套网格方法;对于流场中涡线的模拟,建立了一种适用于有限体积格式的涡引入方法——广义网格速度法,以简化计算。应用上述方法对旋翼BVI流场进行了计算,并与可得到的试验数据进行对比,验证了方法的有效性。通过对比桨叶弦向位置压强的变化得出,在旋翼BVI过程中,气动载荷主要来自桨叶10%弦长内的前缘部分的压强突变。文中还进一步分析了涡强、干扰距离和干扰角度对BVI气动特性的影响。本文的BVI数值计算表明:当涡接近桨叶前缘时,升力达到最大;而涡位于后缘位置时,诱导速度改变桨叶环量分布,破坏了后缘的库塔条件,但随着涡的远离,桨叶表面环量开始重构。

关键词：桨-涡干扰广义网格速度法 Euler方程嵌套网格旋翼直升机