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几何参数变化对对转螺旋桨叶尖涡干涉噪声的影响研究

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几何参数变化对对转螺旋桨叶尖涡干涉噪声的影响研究

作者：崔盼望湖南科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着对环境问题的普遍关注和国际油价的持续上涨,更高推进效率、更低燃油消耗率和更低污染物排放的对转螺旋桨飞机重新引起了人们的关注。然而,噪声是对转螺旋桨研制过程亟需解决的问题。对转螺旋桨前后两排高速反向旋转的转子... 详细信息

近年来,随着对环境问题的普遍关注和国际油价的持续上涨,更高推进效率、更低燃油消耗率和更低污染物排放的对转螺旋桨飞机重新引起了人们的关注。然而,噪声是对转螺旋桨研制过程亟需解决的问题。对转螺旋桨前后两排高速反向旋转的转子之间强烈相互干扰产生多种噪声源,其中前排转子桨叶产生的三维复杂叶尖涡与后排转子干涉是关键噪声源之一。在飞机进场着落阶段,叶尖涡干涉噪声是对转螺旋桨发动机的重要噪声源,深入研究对转螺旋桨干涉噪声产生机理,并探索可行的降噪技术,可为对转螺旋桨发动机噪声控制研究提供理论与技术支撑。本文以对转螺旋桨为研究对象,探究对转螺旋桨干涉噪声特性,分析噪声产生机理,提出了几种对对转螺旋桨干涉噪声的控制方法,分析其对对转螺旋桨气动性能和噪声特性影响及降噪机理。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)采用非线性谐波法(NLH)和FW-H声学方程相结合的混合计算方法模拟了对转螺旋桨干涉噪声产生过程,研究了后排转子直径变化、转子桨叶数变化和转子轴向间距变化对流场/声场的影响机制。研究表明:后排转子直径减小,不仅可以减弱后排转子对前排转子的势流场影响,而且还可以减弱前排转子叶尖涡与后排转子的干涉作用;在不影响对转螺旋桨气动性能的情况下,后排转子直径减小,可以降低对转螺旋桨噪声,最大降噪量可达4 d B。不管是增加前排转子桨叶数还是后排转子桨叶数,都可以显著增加相应转子的拉力系数和功率系数、有效降低转子的非定常载荷波动幅值、在一定方位角范围内降低总声压级,但也都会降低相应转子的效率;在不改变对转螺旋桨效率的情况下,转子桨叶数增加,对转螺旋桨总声压级噪声最高降噪量可达9 d B。转子轴向间距的增大,不仅会减弱转子之间的滑流收缩,而且还会降低前排转子尾缘处和后排转子前缘处的谐波压力。对转螺旋桨轴向间距并不是越大越好或越小越好,相比最小轴向间距,对转螺旋桨噪声降低约10 d B,效率提升了1.4%。(2)在全校准消声室中开展了对转螺旋桨干涉噪声实验研究,探究了后排转子直径、转子桨叶数、转子轴向间距、转子桨叶角和转子转速变化对干涉噪声的影响规律。研究表明:无论在哪种轴向间距下,后排转子直径减小都可以降低对转螺旋桨的单音噪声和干涉噪声,最大降噪量可达2 d B左右。转子桨叶数的变化也可以很好地抑制对转螺旋桨的总声压级噪声。转子轴向间距的变化对不同的对转螺旋桨模型下的总声压级噪声影响不是很大,但并不是轴向间距越大,对转螺旋桨的噪声越小。随着转子桨叶角的增大,对转螺旋桨的远场辐射噪声增大。转子转速的变化对对转螺旋桨的气动噪声影响较大,转子转速的变化,在对转螺旋桨干涉频谱中出现了许多的单音噪声。综上可知,对转螺旋桨几何参数的变化改变了对转螺旋桨干涉流场的气动性能,并显著降低了远场干涉噪声辐射。可为对转螺旋桨发动机的噪声控制提供理论依据和技术支撑,为对转螺旋桨飞机的研制提供支持。

关键词：对转螺旋桨开式转子非线性谐波法风洞实验转子直径转子桨叶数轴向间距叶尖涡干涉噪声气动性能

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水平轴风力机尾迹叶尖涡运动轨迹的实验研究

太阳能学报 2019年第2期40卷 326-332页

作者：东雪青刘钊汪建文章书成韩玉霞内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室呼和浩特010051

利用高频PIV系统采集水平轴风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据。首先通过对涡量场云图分析发现叶尖涡"交互跳跃"现象;然后对比不同翼型、风速、尖速比下,1、2、3、4倍风轮直径处的平均涡量值发现:随着尖速比的增加,叶尖涡"... 详细信息

利用高频PIV系统采集水平轴风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据。首先通过对涡量场云图分析发现叶尖涡"交互跳跃"现象;然后对比不同翼型、风速、尖速比下,1、2、3、4倍风轮直径处的平均涡量值发现:随着尖速比的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象提前发生;随着风速的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象推后发生;得出叶尖涡"交互跳跃"现象的出现是尾流速度开始恢复的标志。而NACA4415翼型叶片发生叶尖涡"交互跳跃"现象的时间比S翼型叶片推迟,所以NACA4415翼型叶片的尾流速度恢复比S翼型叶片推迟。

关键词：高频PIV 水平轴风力机叶尖涡交互跳跃尾流速度恢复

基于SPIV的风力机叶尖涡与尾流流场相关性研究

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太阳能学报 2016年第2期37卷 297-302页

作者：陈秋华赖旭武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072

采用三维粒子图像测速方法(SPIV),研究两种不同尖速比下的水平轴风力机叶尖涡演变过程及尾流速度流场特性。通过锁相技术,首次实现风力机下游远至2.7倍直径范围内的尾流数据采集,完整揭示叶尖涡发展湮灭的过程及其对尾流流场的影响。尾... 详细信息

采用三维粒子图像测速方法(SPIV),研究两种不同尖速比下的水平轴风力机叶尖涡演变过程及尾流速度流场特性。通过锁相技术,首次实现风力机下游远至2.7倍直径范围内的尾流数据采集,完整揭示叶尖涡发展湮灭的过程及其对尾流流场的影响。尾流轴向速度呈先减小至最大尾流衰减率后再逐渐恢复的规律,且发生该最大衰减率的位置与叶尖涡的运动密切相关;分析叶尖涡对尾流速度恢复的阻滞作用,提出以叶尖涡"交替跳跃"现象作为风力机近、远尾流区分界点标志的依据;在此基础上推导风力机近尾流区长度的计算公式。

关键词：风力机尾流叶尖涡速度分布三维粒子图像测速技术

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风力机叶尖涡特性及其控制

南京航空航天大学学报 2011年第5期43卷 635-639页

作者：马兴宇明晓南京航空航天大学航空宇航学院南京210016

通过数值模拟研究了风力机叶片尖部尾涡强度和控制方法。在叶片尖部设计了不同倾斜角的漩涡扩散器来控制叶尖涡,分析了风力机叶片尖部漩涡特征和叶片表面压力分布情况。同时,研究了叶尖涡强度随风轮尖速比变化规律。研究结果表明,叶尖... 详细信息

通过数值模拟研究了风力机叶片尖部尾涡强度和控制方法。在叶片尖部设计了不同倾斜角的漩涡扩散器来控制叶尖涡,分析了风力机叶片尖部漩涡特征和叶片表面压力分布情况。同时,研究了叶尖涡强度随风轮尖速比变化规律。研究结果表明,叶尖涡扩散器能够提高叶尖涡涡核的总压,削弱其漩涡强度。在粘性作用下,风力机尾流漩涡耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度,提高叶片效率。

关键词：叶尖涡涡扩散器流动控制数值模拟

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风力机叶尖涡的数值模拟

南京航空航天大学学报 2011年第5期43卷 640-644页

作者：钟伟王同光南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室南京210016

以NREL Phase叶片的1/8模型为对象,采用有限体积法求解不可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程组,模拟了风力机叶片的绕流和尾流,分析了叶尖涡的生成和发展过程。结果显示:在叶片尖部,从前缘开始生成的压力面一侧漩涡和从约1/2弦线开始生... 详细信息

以NREL Phase叶片的1/8模型为对象,采用有限体积法求解不可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程组,模拟了风力机叶片的绕流和尾流,分析了叶尖涡的生成和发展过程。结果显示:在叶片尖部,从前缘开始生成的压力面一侧漩涡和从约1/2弦线开始生成的吸力面一侧漩涡在尾缘附近汇合并脱出形成叶尖涡;在近尾流区域,叶尖涡先局部向内迁移,但其原因并非风轮旋转;在远尾流区域,叶尖涡以接近线性的规律持续向外迁移;叶尖涡与叶根涡共同形成的涡系结构,在风轮下游相当一段距离仍然对尾流场产生显著的速度诱导,表明尾涡对风力机尾流场产生主导作用。

关键词：空气动力学风力机叶尖涡 PhaseⅥ叶片计算流体力学

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基于多部件耦合的空调器轴流风扇叶尖涡研究

工程热物理学报 2011年第6期32卷 957-960页

作者：王军王兴双邱鑫姚瑞锋华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

本文采用三维Navier-Stokes方程、k-ε方程湍流模型和SIMPLE算法,对基于多部件耦合的空调器轴流风扇叶尖涡的三维流动特性进行了数值分析。结果表明:叶尖涡发生于叶顶吸力面附近距离叶顶弦长28%左右的位置,沿着与叶轮旋向相反的圆周方向... 详细信息

本文采用三维Navier-Stokes方程、k-ε方程湍流模型和SIMPLE算法,对基于多部件耦合的空调器轴流风扇叶尖涡的三维流动特性进行了数值分析。结果表明:叶尖涡发生于叶顶吸力面附近距离叶顶弦长28%左右的位置,沿着与叶轮旋向相反的圆周方向,向相邻叶片的压力面发展,并且在距离叶片叶顶弦长45.5%的位置开始耗散,最后消失在风扇出口导流罩边壁的压力面附近。

关键词：轴流风扇叶尖涡数值模拟空调器

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空调器新型轴流风扇叶尖涡的研究

工程热物理学报 2006年第Z1期27卷 141-144页

作者：王嘉冰吴克启华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

本文采用Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对只在叶轮尾缘带有导流罩的低压轴流风扇进行了三维稳态内流模拟,详细分析了叶顶流场中叶尖涡的产生和发展轨迹。研究结果表明,叶尖涡在距叶尖前缘约1/4叶顶轴向弦长的吸力面附... 详细信息

本文采用Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对只在叶轮尾缘带有导流罩的低压轴流风扇进行了三维稳态内流模拟,详细分析了叶顶流场中叶尖涡的产生和发展轨迹。研究结果表明,叶尖涡在距叶尖前缘约1/4叶顶轴向弦长的吸力面附近形成,在叶轮出口附近消失,在切向约占3/4流道,近似形成一个涡环,阻塞主流.在回转面上,叶尖涡涡核先沿流线方向发展,在导流罩附近逐渐转为切向方向发展;在径向方向,叶尖涡先沿外径方向发展,在导流罩附近转向内径方向移动。空调室外机系统的不对称结构引起叶尖涡在叶轮旋转过程中的相对位移.流量的变化对叶尖涡的轴向位置影响较大,而对其径向位置的影响不明显;小流量时叶尖涡的轴向移动能力减弱,切向移动能力增强,消失位置向前缘方向移动.

关键词：叶尖涡内流场轴流风扇数值模拟

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前缘弯掠风扇叶尖涡的数值分析与PIV实验

工程热物理学报 2006年第1期27卷 57-60页

作者：谢军龙游斌吴克启华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

本文采用三维Navier-stokes方程、κ-ε两方程湍流模型和SIMPLE算法,对空调用前缘弯掠开式斜流风扇转子叶尖涡的三维流动特性进行了数值分析与PIV实验测量。结果表明:沿子午面流动的主气流与从叶顶外侧吸入的气流之间的卷吸作用导致在... 详细信息

本文采用三维Navier-stokes方程、κ-ε两方程湍流模型和SIMPLE算法,对空调用前缘弯掠开式斜流风扇转子叶尖涡的三维流动特性进行了数值分析与PIV实验测量。结果表明:沿子午面流动的主气流与从叶顶外侧吸入的气流之间的卷吸作用导致在吸力面叶顶区域产生了叶尖涡。叶尖涡从25％叶顶弦长位置到50％弦长位置不断发展,同时沿吸力面向下游移动;叶尖涡随后逐渐向压力面移动;叶尖涡从75％叶顶弦长位置至转子下游逐渐耗散,沿着一条与叶轮旋向相反的斜线向转子下游发展,大致持续到转子下游65％叶顶弦长位置。计算结果和PIV的实测结果吻合,表明用 CFD工具可以预测流场,同时为前缘弯掠开式斜流转子在大型中央空调室外机上的应用和风机系统的优化设计及其降噪提供了重要的内流数据。

关键词：叶尖涡前缘弯掠斜流风扇数值分析 PIV

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小翼对风力机叶尖涡运动轨迹的影响研究

工程热物理学报 2014年第12期35卷 2398-2401页

作者：杨振涛汪建文东雪青高志鹰罗坤张立茹内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 风能太阳能利用技术教育部重点实验室呼和浩特010051

本文利用三维PIV测速技术,在B1/K2直流式低速风洞开口段,对小翼对风力机叶尖涡三维运动轨迹的影响展开研究。实验发现,S型小翼对叶尖涡的打散程度大于V型小翼。加装小翼后,使得叶尖涡运动轨迹螺距减小,同时叶尖涡的径向运动距离增加,向... 详细信息

本文利用三维PIV测速技术,在B1/K2直流式低速风洞开口段,对小翼对风力机叶尖涡三维运动轨迹的影响展开研究。实验发现,S型小翼对叶尖涡的打散程度大于V型小翼。加装小翼后,使得叶尖涡运动轨迹螺距减小,同时叶尖涡的径向运动距离增加,向外迁移的程度增加。在额定工况下,小翼影响的因素包括风力机功率系数、叶尖涡运动轨迹形态、叶尖涡的强弱,其中小翼对叶尖涡运动轨迹向外迁移的程度和螺距的减小程度占主导因素,小翼对叶尖涡打散程度占次要因素。

关键词：三维PIV 叶尖涡叶尖小翼三维涡量运动轨迹螺距