共轴刚性旋翼气动及噪声特性的参数影响分析

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28856

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共轴刚性旋翼气动及噪声特性的参数影响分析

刘琦, 史勇杰, 胡志远(), 徐国华

南京航空航天大学直升机动力学全国重点实验室，南京 210016

收稿日期:2023-04-11 修回日期:2023-05-15 接受日期:2023-07-03 出版日期:2024-05-15 发布日期:2023-07-07
通讯作者: 胡志远 E-mail:huzhiyuan@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11972190)

Parameter effects analysis on aerodynamic and aeroacoustic characteristics of coaxial rigid rotor

Qi LIU, Yongjie SHI, Zhiyuan HU(), Guohua XU

National Key Laboratory of Helicopter Aeromechanics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2023-04-11 Revised:2023-05-15 Accepted:2023-07-03 Online:2024-05-15 Published:2023-07-07
Contact: Zhiyuan HU E-mail:huzhiyuan@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972190)

摘要/Abstract

摘要：

共轴刚性旋翼直升机是未来高速直升机发展的重要方向之一。研究了其前飞时旋翼桨-涡干扰（BVI）流场及气动噪声特性，探究了参数变化对其气动和噪声特性的影响规律。为精细捕捉旋翼尾迹流场，提出了一套高精度的共轴刚性旋翼直升机流场计算方法，该方法基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程为控制方程，并用五阶WENO-Z格式重构空间变量，以运动嵌套网格系统模拟旋翼桨叶运动。同时，使用了基于Farassat 1A公式的旋翼噪声计算方法，对旋翼桨-涡干扰噪声具有较高捕捉精度。应用所建立的方法，分别对孤立单旋翼、无机身共轴旋翼和有机身共轴旋翼流场进行计算对比，研究了该构型旋翼自身桨-涡干扰、旋翼间干扰和机身干扰对共轴刚性旋翼气动及噪声特性的影响。然后还计算分析了不同几何参数对共轴刚性旋翼气动及噪声特性的影响，得出了一些新的结论。

关键词: 直升机, 共轴刚性旋翼, 气动噪声, 桨-涡干扰, 桨尖形状, 计算流体力学（CFD）

Abstract:

The coaxial rigid rotor helicopter is an essential direction for the development of high-speed helicopters in the future. This paper studies the flow field of Blade-Vortex Interaction （BVI） and aeroacoustics characteristics of the coaxial rigid rotor helicopter during forward flight and explores the influence of parameter variations on its aerodynamic and aeroacoustics characteristics. To capture the rotor wake flow field accurately， a high-precision calculation method for the flow field of a coaxial rigid rotor helicopter is proposed. The method employs the Reynolds-Averaged Navier-Stokes （RANS） equation as the governing equation， adopts the fifth-order WENO-Z scheme to reconstruct the state variables， and simulates the motion of rotor blades using a moving overset grid system. Furthermore， a rotor noise calculation method based on Farassat 1A formula， which has high precision in capturing rotor BVI noise， is also utilized. By using those methods， the flow field of single isolated rotor， coaxial rotor without fuselage and coaxial rotor with fuselage are calculated and compared， and the effects of rotor self-BVIs， interference between rotors， and fuselage interference on the aerodynamic and aeroacoustics characteristics of the coaxial rigid rotor are studied. Additionally， the influence of different geometric parameters on the aerodynamic and aeroacoustics characteristics of the coaxial rigid rotor are calculated and analyzed， and new conclusions are obtained.

Key words: helicopter, coaxial rigid rotor, aeroacoustics, blade-vortex interaction, blade tip shape, computational fluid dynamics (CFD)

中图分类号:

V211.52

刘琦, 史勇杰, 胡志远, 徐国华. 共轴刚性旋翼气动及噪声特性的参数影响分析[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528856.

Qi LIU, Yongjie SHI, Zhiyuan HU, Guohua XU. Parameter effects analysis on aerodynamic and aeroacoustic characteristics of coaxial rigid rotor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(9): 528856.

图/表 25

图 1

图 2

表 1

Harrington-2旋翼算例配平总距值［8］

C_T	0.002	0.004	0.006	0.007	0.009
$θ 0 U$	3.436	5.487	7.245	8.148	9.692
$θ 0 L$	4.378	6.412	8.151	9.034	10.399

表 1

图 3

图 4

图 5

图 6

表 2

XH-59A直升机前飞算例配平操纵量［2］ (°)

操纵量	$θ 0$	$θ 1 c$	$θ 1 s$	$β 0$	$β 1 c$	$β 1 s$
上旋翼	5.86	1.41	-5.31	2.61	0.13	1.26
下旋翼	5.82	-1.78	5.19	2.63	-0.14	-1.27

表 2

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

参考文献 23

1	CHENEY M C. The ABC helicopter［J］. Journal of the American Helicopter Society， 1969， 14（4）： 10-19.
2	JIA Z Q， LEE S. Impulsive loading noise of a lift-offset coaxial rotor in high-speed forward flight［J］. AIAA Journal， 2019， 58（2）： 687-701.
3	PAGLINO V M， BENO E. Full-scale wind tunnel investigation of the advancing blade concept rotor system： AD734338［R］. Fort Eustis： U.S. Army Air Mobility Research and Development Laboratory， 1971.
4	BAGAI A， LEISHMAN J G. Free-wake analysis of tandem， tilt-rotor and coaxial rotor configurations［J］. Journal of the American Helicopter Society， 1996， 41（3）： 196-207.
5	KIM H W， DURAISAMY K， BROWN R. Aeroacoustics of a coaxial rotor in level flight［C］∥The 64th AHS Annual Forum. West Palm Beach： AHS， 2008： 558-578
6	KIM H W， KENYON A R， BROWN R E， et al. Interactional aerodynamics and acoustics of a hingeless coaxial helicopter with an auxiliary propeller in forward flight［J］. The Aeronautical Journal， 2009， 113（1140）： 65-78.
7	LAKSHMINARAYAN V K， BAEDER J D. High-resolution computational investigation of trimmed coaxial rotor aerodynamics in hover［J］. Journal of the American Helicopter Society， 2009， 54（4）： 042008.
8	QI H T， XU G H， LU C L， et al. A study of coaxial rotor aerodynamic interaction mechanism in hover with high-efficient trim model［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 84： 1116-1130.
9	WALSH G D. A preliminary acoustic investigation of a coaxial helicopter in high-speed flight［D］. Park： The Pennsylvania State University， 2016.
10	招启军，朱正，原昕. 桨叶外形对共轴刚性旋翼悬停性能影响的CFD分析［J］. 南京航空航天大学学报， 2017， 49（5）： 653-661.
	ZHAO Q J， ZHU Z， YUAN X. CFD analyses on effects of blade shape on hover performance of coaxial rigid rotors［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2017， 49（5）： 653-661 （in Chinese）.
11	JIA Z， LEE S， SHARMA K， et al. Aeroacoustic analysis of a lift-offset coaxial rotor using high-fidelity CFD/CSD loose coupling simulation［J］. Journal of the American Helicopter Society， 2020， 65（1）： 1-15.
12	DENG J H， FAN F， LIU P A， et al. Aerodynamic characteristics of rigid coaxial rotor by wind tunnel test and numerical calculation［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2019， 32（3）： 568-576.
13	BROCKLEHURST A， BARAKOS G N. A review of helicopter rotor blade tip shapes［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2013， 56： 35-74.
14	SUN Y， XU G H， SHI Y J. Parametric effect of blade surface blowing on the reduction of rotor blade–vortex interaction noise［J］. Journal of Aerospace Engineering， 2022， 35（1）： 04021110.
15	BORGES R， CARMONA M， COSTA B， et al. An improved weighted essentially non-oscillatory scheme for hyperbolic conservation laws［J］. Journal of Computational Physics， 2008， 227（6）： 3191-3211.
16	FARASSAT F. Linear acoustic formulas for calculation of rotating blade noise［J］. AIAA Journal， 1981， 19（9）： 1122-1130.
17	YU Y H. Rotor blade–vortex interaction noise［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2000， 36（2）： 97-115.
18	HARRINGTON R D. Full-scale-tunnel investigation of the static-thrust performance of a coaxial helicopter rotor： NACA-TN-2318［R］. Washington D.C.： NACA， 1951
19	SCHULTZ K J， SPLETTSTOESSER W， JUNKER B， et al. A parametric windtunnel test on rotorcraft aerodynamics and aeroacoustics （Helishape）—Test procedures and representative results［J］. The Aeronautical Journal， 1997， 101（1004）： 143-154.
20	BIAVA M， BINDOLINO G， VIGEVANO L. Single blade computations of helicopter rotors in forward flight： AIAA-2003-0052［R］. Reston： AIAA， 2003.
21	BOXWELL D A， SCHMITZ F H， SPLETTSTOESSER W R， et al. Helicopter model rotor-blade vortex interaction impulsive noise： Scalability and parametric variations［J］. Journal of the American Helicopter Society， 1987， 32（1）： 3-12.
22	YU Y H， TUNG C， GALLMAN J， et al. Aerodynamics and acoustics of rotor blade-vortex interactions［J］. Journal of Aircraft， 1995， 32（5）： 970-977.
23	STRAWN R C， DUQUE E P N， AHMAD J. Rotorcraft aeroacoustics computations with overset-grid CFD methods［J］. Journal of the American Helicopter Society， 1999， 44（2）： 132-140.

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[1]	谭剑锋, 闫羽泽, 张卫国, 刘亚奎, 邵天双. 沙盲环境直升机桨叶磨损分析方法[J]. 航空学报, 2025, 46(9): 431012-431012.
[2]	陈正武, 姜裕标, 卢翔宇, 李抢斌. 开式转子气动噪声风洞试验[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 130425-130425.
[3]	查君培, 陈保, 吴飞, 李伟鹏. 超声速单/双矩形喷流气动噪声数值研究[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 131447-131447.
[4]	韩啸华, 韩维, 陆士猛, 李娜, 郭放, 万兵, 苏析超. 面向任务时间窗的舰船直升机群波次出动回收任务规划[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531773-531773.
[5]	文镜涵, 吉洪蕾, 邓皓轩, 王畅. 适用于飞行力学分析的旋翼涡环状态入流模型[J]. 航空学报, 2025, 46(12): 131395-131395.
[6]	张培康, 郭继峰, 颜鹏. 小型无人直升机建模与鲁棒飞行控制[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730797-730797.
[7]	张晓龙, 李荣, 阎高伟, 肖舒怡, 李国强. 小型无人直升机故障估计与容错控制[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730802-730802.
[8]	马锦超, 陆洋, 王亮权, 宋奎辉. 基于高阶谐波控制的倾转旋翼近场气动噪声主动控制试验[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528602-528602.
[9]	李博, 王潇. 共轴双旋翼/尾推桨/传动耦合系统动力学建模与固有特性分析[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528945-528945.
[10]	郑峰婴, 沈志敏, 李雅琴, 徐楷钊, 王新华. 共轴高速直升机增益自适应多模式切换控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529088-529088.
[11]	崔壮壮, 原昕, 赵国庆, 井思梦, 招启军. 共轴刚性旋翼高速直升机前飞性能操纵策略影响[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529256-529256.
[12]	孙大智, 陈希, 鲍为成, 卞威, 招启军. 高速直升机机身干扰对推力桨气动与噪声源特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529142-529142.
[13]	孙朋朋, 刘平安, 樊枫, 曾伟. 悬停状态共轴刚性旋翼机身气动干扰特性[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529284-529284.
[14]	柳家齐, 陈荣钱, 楼锦华, 韩旭, 吴昊, 尤延铖. 基于深度学习的高速直升机旋翼翼型气动优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529828-529828.
[15]	王畅, 何龙, 徐栋霞, 唐敏, 马率, 吴希明. 共轴刚性旋翼桨毂流动控制减阻研究[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529084-529084.

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