螺旋桨噪声特性风洞实验和数值模拟技术研究

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本文从理论和实验两方面入手,针对航空螺旋桨的气动噪声问题,特别是螺旋桨气动声学风洞实验的理论、实验应遵守的相似准则、如何建立螺旋桨风洞声学实验设备、实验步骤、实验数据处理方法以及如何用升力面方法计算桨叶表面压力分布从而快速模拟螺旋桨声学特性做了较为深入的研究。本文的工作将为进一步研究螺旋桨气动声学实验技术和螺旋桨气动噪声的降低提供基本的理论依据和技术准备。 本文研究工作所取得的进展主要表现在以下几个方面:一、推导出能够实际应用的螺旋桨气动声学相似准则螺旋桨模型的风洞声学实验在研究螺旋桨气动噪声方面占有重要地位。以往的研究成果对于风洞声学实验来讲过于笼统,不便于指导风洞实验方案的确定和实验结果的应用。本文从气动方程和声学方程两方面入手,推导出具体指导实验的相似准则和应用测量结果的简便公式。经实验验证,在研究范围内该公式可靠有效。 二、建立国内第一个螺旋桨声学实验段本文作者在国家重点实验室基金的支持下,基于声学风洞理论,参考国内外资料,结合NF-3风洞特点,建立了国内第一个可以进行螺旋桨声学实验的风洞实验段。经检测该实验段满足自由声场要求,可以进行螺旋桨声学实验。该工作填补了国内螺旋桨风洞声学实验设备的空白。 三、确定了螺旋桨风洞声学实验的实验步骤和数据处理方法在风洞中进行螺旋桨声学实验时,需要事先考虑测点位置的确定,传声器选择,数据采集要求等基本问题。本文在参考大量文献的基础上,根据NF-3风洞的实际情况,对上述基本问题,提出了合理的实验步骤和数据处理方案。经实验验证,该方案合理可行。本文的贡献在于将声学实验基本原理引入螺旋桨风洞实验。 四、发展了一种快速模拟螺旋桨气动声学特性的一体化数值模拟方法在低速螺旋桨性能计算方面,涡格法是快速有效的方法。但是在计算表面压力分布时,传统的涡格法遇到了无法克服的困难。本文推导出在叶片表面布置分布涡强的方法,在保持了涡格法计算快的优点条件下,较好地计算出叶片表面压力分布。以此为基础,本文采用FW-H方程忽略四极子的时域解法,使用与气动计算相同的表面网格,快速解出了螺旋桨的远场声学特性,计算结果与实验结果符合程度较好。说明该一体化方法可以用于螺旋桨噪声机理分析和低噪声螺旋桨设计,从而为分析螺旋桨噪声机理和设计低噪声螺旋桨提供简便工具。 本文还对今后应进一步研究的问题提出了自己的看法。
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