王亮權(quán),徐國華*,史勇杰,夏潤澤

南京航空航天大學(xué) 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016

高階諧波控制對(duì)旋翼槳-渦干擾載荷和噪聲的影響

王亮權(quán),徐國華*,史勇杰,夏潤澤

南京航空航天大學(xué) 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016

直升機(jī)小速度平飛和斜下降飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的槳-渦干擾(BVI)噪聲?；谛拚鼴eddoes尾跡/槳葉動(dòng)力學(xué)耦合方法和Farassat 1A公式,建立了一個(gè)新的能夠計(jì)入高階諧波控制(HHC)影響的旋翼槳-渦干擾氣動(dòng)載荷和噪聲計(jì)算模型。在該模型中,高階諧波控制引起的槳尖渦附加位移通過對(duì)高階入流進(jìn)行時(shí)間積分推導(dǎo)得出,而單一階次的諧波輸入引起的各階諧波響應(yīng)通過傳遞函數(shù)來確定,傳遞函數(shù)則由槳葉的動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算。首先對(duì)HARTⅡ旋翼斜下降飛行狀態(tài)的槳-渦干擾氣動(dòng)載荷進(jìn)行了計(jì)算模擬,驗(yàn)證了所建立方法的可靠性。然后,著重研究了在典型的三階諧波槳根激勵(lì)下,不同輸入相位對(duì)HARTⅡ旋翼槳-渦干擾氣動(dòng)載荷和噪聲特性的影響。結(jié)果表明:槳葉的動(dòng)力學(xué)特性尤其是扭轉(zhuǎn)特性對(duì)高階諧波控制效果影響顯著,且高階諧波輸入的相位選擇對(duì)槳-渦干擾噪聲的控制至關(guān)重要,若控制相位選擇不當(dāng),反而會(huì)增大旋翼噪聲。

高階諧波控制;直升機(jī);旋翼;槳-渦干擾;氣動(dòng)載荷;噪聲

直升機(jī)在小速度平飛和斜下降飛行時(shí),槳葉尖部逸出的槳尖渦形成的尾跡停留在旋翼附近,使得槳尖渦很容易與后續(xù)的槳葉相互靠近甚至直接碰撞,產(chǎn)生所謂的槳-渦干擾(Blade-Vortex Interaction,BVI)現(xiàn)象[1]。由于槳尖渦的干擾,會(huì)使得槳葉誘導(dǎo)速度發(fā)生劇烈擾動(dòng),從而改變槳葉剖面上的迎角和氣動(dòng)載荷。在直升機(jī)飛行中,槳-渦干擾發(fā)生時(shí)槳葉與槳尖渦迅速靠近而后立即遠(yuǎn)離,在槳葉上形成頻率很高的非定常載荷脈沖,這是槳-渦干擾噪聲的聲源。槳-渦干擾噪聲不僅會(huì)嚴(yán)重增大軍用直升機(jī)的聲可探測(cè)性,也會(huì)限制民用直升機(jī)在城市的大規(guī)模使用。因此,研究旋翼槳-渦干擾噪聲的抑制方法在理論和實(shí)際應(yīng)用中都具有重要的價(jià)值。

國外對(duì)降低槳-渦干擾噪聲已經(jīng)開展了不少研究,Hardin和Lamkin[2]首先從理論上探討了槳-渦干擾噪聲的抑制方法,指出了槳尖渦強(qiáng)度、槳葉剖面上的升力、槳-渦干擾距離等參數(shù)對(duì)BVI強(qiáng)度的影響。隨后,直升機(jī)界提出了多種控制BVI噪聲的概念,包括高階諧波控制(Higher Harmonic Control,HHC),單獨(dú)槳葉控制(Individual Blade Control,IBC)和后緣小翼等[3]技術(shù)。高階諧波控制和單獨(dú)槳葉控制的機(jī)理相似,二者區(qū)別在于高階諧波控制的激勵(lì)器安裝在旋翼自動(dòng)傾斜器下方,各片槳葉槳根處受到的激勵(lì)完全相同;單獨(dú)槳葉控制的激勵(lì)器則位于自動(dòng)傾斜器上方,各片槳葉可分別施加激勵(lì)。高階諧波控制由于其控制律相對(duì)簡單,成為了近年來的研究熱點(diǎn)。

高階諧波控制技術(shù)最早被國外學(xué)者用于直升機(jī)座艙振動(dòng)水平抑制上,在 OH-6A、SA-349、S-76A等直升機(jī)上進(jìn)行的飛行實(shí)測(cè)表明,H HC最高可以將座艙振動(dòng)水平降低90%[4-6]。Giovanetti和Hall將HHC技術(shù)用于復(fù)合式直升機(jī)的性能優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)HHC能減小直升機(jī)高速前飛時(shí)的需用功率[7]。Splettstoesser等則在德國-荷蘭DNW風(fēng)洞中進(jìn)行了BO-105直升機(jī)縮比模型的吹風(fēng)試驗(yàn)[8],結(jié)果表明,HHC同樣具有控制旋翼BVI噪聲的潛力,適當(dāng)?shù)母唠A諧波控制可以將BVI噪聲降低4～6 d B。2009年,Boyd基于CFD/CSD耦合方法進(jìn)行了HARTⅡ旋翼高階諧波控制降噪模擬的嘗試[9],為避免在捕捉槳尖渦時(shí)出現(xiàn)顯著的非物理耗散,使用了總量高達(dá)6 900萬的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),以致消耗了大量的計(jì)算資源。國內(nèi)有關(guān)HHC的研究較少,楊一棟和袁衛(wèi)東對(duì)H HC的抑振效果進(jìn)行了初步的仿真驗(yàn)證[10],馮劍波等利用自由尾跡方法進(jìn)行了HHC主動(dòng)控制研究[11],分析了不同控制相位下的BVI噪聲抑制效果,但其研究是直接給槳距附加一個(gè)高階諧波輸入量,并未考慮由于槳根激勵(lì)引起的槳葉真實(shí)彈性變形。

使用數(shù)值方法進(jìn)行HHC對(duì)BVI噪聲控制效果的模擬研究,是涉及到氣動(dòng)、動(dòng)力學(xué)和噪聲的多學(xué)科問題,其研究是富有挑戰(zhàn)性的。由于HHC是在槳葉根部施加激勵(lì),通過槳葉的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)來獲得其控制效果,因而進(jìn)行槳葉動(dòng)力學(xué)建模是必要的。另一方面,為了有效地計(jì)算4～60倍槳葉通過頻率的槳-渦干擾非定常載荷[12],需要所使用的氣動(dòng)模型具有良好的槳尖渦捕捉精度。2011年,Wall建立了一套所謂的修正Beddoes尾跡模型[13],該模型在性質(zhì)上可歸入預(yù)定尾跡類,具有解析表達(dá)式,能夠像自由尾跡模型那樣計(jì)入渦線的畸變和收縮,且不存在CFD所面臨的數(shù)值耗散問題。修正Beddoes尾跡、自由尾跡、CFD 3種氣動(dòng)模型單步計(jì)算的耗時(shí)比約為1∶103∶106,修正Beddoes尾跡在計(jì)算效率方面具有突出優(yōu)勢(shì),同時(shí)具有與自由尾跡相當(dāng)?shù)木?。Wall將該模型用于槳-渦干擾的研究,取得了良好的模擬結(jié)果[12]。

鑒于此,本文擬基于修正Beddoes尾跡/槳葉動(dòng)力學(xué)耦合模型,并結(jié)合Farassat 1A公式,建立一套高效且能夠計(jì)入高階諧波控制輸入影響的旋翼槳-渦干擾噪聲模擬方法。與先前HHC側(cè)重于減振研究不同的是,本文深入研究HHC對(duì)槳-渦干擾噪聲特性的影響機(jī)理,并得到了如下結(jié)論:高階諧波控制主要通過改變槳-渦垂直干擾距離影響槳-渦干擾噪聲。

1 數(shù)值計(jì)算方法

為開展高階諧波控制對(duì)旋翼槳-渦干擾氣動(dòng)載荷和噪聲的影響研究,本文在修正Beddoes尾跡模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)建立了能夠計(jì)入高階諧波影響的氣動(dòng)模型,隨后結(jié)合槳葉動(dòng)力學(xué)模型確定各階諧波之間的耦合效應(yīng),開發(fā)出一套適用于旋翼高階諧波控制模擬的氣動(dòng)/動(dòng)力學(xué)分析代碼,并將其用于HHC狀態(tài)下的噪聲模擬。

1.1 基于修正Beddoes尾跡的旋翼氣動(dòng)模型

1.1.1 修正Beddoes尾跡模型

基于修正Beddoes尾跡模型確定旋翼尾跡形狀,槳盤平面內(nèi)的誘導(dǎo)入流分布為[14]

槳盤平面外的誘導(dǎo)入流分布為

式中:

其中:CT為旋翼拉力系數(shù);μ為前進(jìn)比;αs為旋翼迎角;坐標(biāo)系為右手系,坐標(biāo)原點(diǎn)位于槳盤中心,x軸正方向沿著來流方向,y軸正方向指向90°槳葉方位角;kx和ky分別為旋翼縱向和橫向入流分布系數(shù);ψ為方向角。

對(duì)于從槳尖附近脫出的槳尖渦,以旋翼半徑R為無量綱參數(shù),令其坐標(biāo)為(xv,yv,zv),有[15]

式中:ψb和ψw分別為槳葉所處方位角和槳尖渦渦齡角;rv為槳尖渦在槳葉上的逸出位置。

對(duì)式(1)和式(2)中的誘導(dǎo)速度場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間積分,并與旋翼軸向來流分量疊加,可得到槳尖渦的軸向位移為

式中:∫λidψ為誘導(dǎo)速度場(chǎng)引起的槳尖渦軸向位移。從槳盤前半?yún)^(qū)域(90°＜ψb＜270°)脫出的槳尖渦均會(huì)通過槳盤區(qū)域,而從槳盤后半?yún)^(qū)域(0°＜ψb＜90°和270°＜ψb＜360°)脫出則不會(huì)受到槳盤誘導(dǎo)速度場(chǎng)的影響,在進(jìn)行積分計(jì)算時(shí)需要分別考慮。

圖1為直升機(jī)小速度前飛時(shí)旋翼槳尖渦尾跡形狀示意圖,所計(jì)算的飛行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的CT=0.003 3,μ=0.19,αs=-6.3°。從圖中可以看出,此時(shí)槳尖渦的軸向(z方向)運(yùn)動(dòng)速度小,槳尖渦在運(yùn)動(dòng)4圈后仍然停留在槳盤附近,前行側(cè)槳尖渦相對(duì)后行側(cè)的卷起效應(yīng)更明顯。在槳盤平面內(nèi)渦線與槳葉相交的位置,會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的槳-渦干擾,進(jìn)一步帶來嚴(yán)重的BVI噪聲。

圖1 修正Beddoes尾跡示意圖Fig.1 Schematic of modified Beddoes wake

1.1.2 槳葉附著渦環(huán)量求解方法

將槳葉離散為N個(gè)單元,附著渦環(huán)量Γi位于槳葉1/4弦線處,而控制點(diǎn)位于3/4弦線。由尾隨渦組成的旋翼近尾跡從槳葉后緣脫出,尾隨渦強(qiáng)度等于相鄰兩個(gè)槳葉單元的附著渦環(huán)量之差,近尾跡經(jīng)過約30°方位角卷起為槳尖渦,形成遠(yuǎn)尾跡,槳尖渦強(qiáng)度由槳葉上的最大附著渦環(huán)量確定。對(duì)控制點(diǎn)施加物面法向無穿透邊界條件,形成關(guān)于附著渦環(huán)量的線性方程組AΓ=B,即

式中:A為附著渦、近尾跡和遠(yuǎn)尾跡引起的誘導(dǎo)速度影響系數(shù)矩陣,影響系數(shù)通過Biot-Savart定律計(jì)算;B為槳葉微段上的自由來流速度和由于旋轉(zhuǎn)、揮舞等運(yùn)動(dòng)引起的相對(duì)速度。槳尖渦誘導(dǎo)產(chǎn)生的速度Vθ采用文獻(xiàn)[16]中的模型:

式中:Γmax=max(Γ1,Γ2,…,ΓN)為槳尖渦強(qiáng)度;rc為渦核半徑;r-為流場(chǎng)中某一點(diǎn)與渦核中心的相對(duì)距離。

槳尖渦渦核的黏性耗散可由式(8)表示:[17]式中:rco為槳尖渦的初始渦核半徑;α為Oseen常數(shù),取α=1.256 43;渦黏性系數(shù)δ與槳尖雷諾數(shù)有關(guān),對(duì)于模型旋翼,δ≈10;ν為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度,一般取ν=1.46×10-5m2/s。

在得到槳葉各單元的附著渦環(huán)量后,便可計(jì)算出相應(yīng)剖面的升阻力特性,翼型氣動(dòng)力數(shù)據(jù)通過查表獲得。

1.2 高階諧波控制入流建模

1.1節(jié)建立的修正Beddoes尾跡模型僅適用于常規(guī)飛行狀態(tài)下的旋翼氣動(dòng)載荷求解,本節(jié)將極坐標(biāo)表示的高階諧波入流變換到笛卡兒坐標(biāo)系下,并采用時(shí)間積分推導(dǎo)出其對(duì)旋翼尾跡的影響。

1.2.1 高階諧波入流引起的尾跡扭曲

噪聲與槳尖渦和氣動(dòng)載荷存在如下關(guān)系[2]:

式中:p′(x,t)為觀察點(diǎn)的噪聲聲壓;Γv為槳尖渦在平行于槳葉展向的強(qiáng)度分量,該分量由槳尖渦強(qiáng)度和槳-渦干擾角度確定;L為槳葉剖面的升力;d為槳-渦垂直干擾距離。

從式(9)中可以看出,噪聲聲壓p′(x,t)與Γv和L成正比,與d的平方成反比關(guān)系,p′(x,t)對(duì)d的變化十分敏感。

高階諧波(n≥2)控制的幅值λin和相位Ψn可用余弦函數(shù)表達(dá)為

槳盤平面內(nèi)由此產(chǎn)生的高階諧波入流可表示為如下極坐標(biāo)的形式[14]:

由式(11)可以得到高階諧波引起的槳尖渦尾跡扭曲,為了便于進(jìn)行時(shí)間積分,將其轉(zhuǎn)化到笛卡兒坐標(biāo)系下,以3階諧波控制為例進(jìn)行說明:

根據(jù)棣莫弗公式從槳尖渦釋放點(diǎn)xvr開始積分,3階諧波控制

引起的槳尖渦附加軸向位移可表示為

其他各高階諧波產(chǎn)生的控制響應(yīng)可用類似的方法推導(dǎo)得出,將其與未施加控制時(shí)的尾跡疊加,即可得到HHC控制下的尾跡形狀。

1.2.2 不同階次諧波控制效果分析

圖2為諧波階次分別為2、3和6階時(shí)引起的槳盤平面內(nèi)入流分布示意圖,圖中使用槳盤均勻入流系數(shù)進(jìn)行了無量綱化。在槳葉旋轉(zhuǎn)一周的過程中,槳葉尖部區(qū)域受入流變化的影響較槳葉內(nèi)段區(qū)域更為顯著。圖3為一維情況下各階諧波引起的槳尖渦附加軸向位移示意圖,可以看出,相對(duì)一階諧波(旋翼周期變距)控制輸入而言,高階諧波引起的槳尖渦附加位移較小,諧波階次越高,其對(duì)槳尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡的影響越弱,6階以上諧波造成的影響則可以忽略不計(jì)。

1.2.3 諧波之間的耦合效應(yīng)

由于各階諧波之間的耦合效應(yīng),單一階次的諧波輸入會(huì)引起多個(gè)階次的諧波響應(yīng)。例如3階諧波的控制輸入除了直接引起槳葉上的3階諧波響應(yīng)外,還會(huì)對(duì)相鄰的2階扭轉(zhuǎn)和揮舞響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響,這種影響可通過傳遞函數(shù)[18]來計(jì)入,以槳葉扭轉(zhuǎn)方向?yàn)槔?/p>

式中:θ為變距角;?為彈性扭轉(zhuǎn)角;下標(biāo)BL表示基準(zhǔn)狀態(tài)(Baseline),j表示受n階諧波輸入影響的諧波階次,j=n-2,n-1,…,n+2。

圖2 槳盤平面內(nèi)不同階次的諧波入流分布(Ψn=0°)Fig.2 Inflow distribution of rotor disk with different harmonic order(Ψn=0°)

圖3 諧波階次對(duì)槳尖渦軸向位移的影響(φn=0°)Fig.3 Effect of harmonic order on tip vortex vertical displacement(φn=0°)

1.3 槳葉動(dòng)力學(xué)模型

從式(15)中可以看出,傳遞函數(shù)由槳葉的動(dòng)力學(xué)特性決定,其中扭轉(zhuǎn)變形由于直接影響槳葉剖面的變距角,對(duì)高階諧波控制的效果有著重要的影響。本文基于Hamilton原理對(duì)槳葉進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模[19]:

式中:U為槳葉上的應(yīng)變能;T為動(dòng)能;We為氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩所做的虛功。

本文計(jì)算出的HARTⅡ旋翼的前三階揮舞振型ΦF和前二階扭轉(zhuǎn)振型ΦT分別如圖4(a)和圖4(b)所示,該旋翼為無鉸式旋翼(相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[20]),操縱線系的剛度通過在槳葉根部施加扭轉(zhuǎn)彈簧約束的方式計(jì)入?？梢钥闯?各揮舞振型與文獻(xiàn)[12]中佐治亞理工學(xué)院(GIT)采用著名的多體動(dòng)力學(xué)分析代碼DYMORE的計(jì)算結(jié)果符合得很好,僅扭轉(zhuǎn)振型在槳葉根部存在一定的誤差,這可能是由于對(duì)操縱線系剛度的考慮方式不同造成的。此外,3階的諧波控制輸入與計(jì)算出的HARTⅡ槳葉基階扭轉(zhuǎn)頻率3.81(文獻(xiàn)值為3.79)相近,會(huì)產(chǎn)生顯著的槳葉扭轉(zhuǎn)響應(yīng)。以上結(jié)果表明本文建立的槳葉動(dòng)力學(xué)模型具有良好的精度。

圖4 HARTⅡ旋翼的揮舞和扭轉(zhuǎn)振型Fig.4 Flap and torsion mode shapes of HARTⅡrotor

1.4 旋翼氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型

旋翼氣動(dòng)噪聲的求解基于Williams和Hawkings建立的FW-H方程[21],該方程可精確描述整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的噪聲。本文研究的槳-渦干擾狀態(tài)對(duì)應(yīng)的直升機(jī)前飛速度較小,旋翼流場(chǎng)中的跨聲速效應(yīng)很弱,選用忽略四極子噪聲源項(xiàng)的F1A公式[22],有式中:p′(x,t)為噪聲總聲壓;p′T(x,t)為厚度噪聲聲壓;p′L(x,t)為載荷噪聲聲壓。

噪聲聲壓級(jí)SPL的計(jì)算公式為

式中:SPL單位為d B;pref為參考聲壓,取2×10-5Pa。

2 旋翼槳-渦干擾狀態(tài)的模擬及分析

2.1 槳-渦干擾狀態(tài)飛行參數(shù)

本文計(jì)算的HARTⅡ旋翼斜下降飛行狀態(tài)各參數(shù)分別如下:前進(jìn)比μ=0.151,拉力系數(shù)CT=0.004 4,旋翼迎角αs=4.5°,航跡角γ=-6°,此時(shí)自由來流有一個(gè)垂直于槳盤向上的分量,使得槳尖渦尾跡更加靠近槳盤。該狀態(tài)下旋翼總距θ0=3.8°,橫向周期變距θ1c=1.92°,縱向周期變距θ1s=-1.34°。槳葉根部施加的3階諧波激勵(lì)幅值為θ3=0.86°,激勵(lì)相位Ψ3在0°～360°之間變化,間隔為60°。

2.2 未施加高階諧波控制時(shí)的槳-渦干擾狀態(tài)

首先對(duì)HARTⅡ旋翼未施加高階諧波控制時(shí)的槳-渦干擾基準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算模擬。圖5(a)為槳盤平面內(nèi)的誘導(dǎo)入流系數(shù)分布,可以看出槳盤后半?yún)^(qū)域的誘導(dǎo)入流遠(yuǎn)高于槳盤前半?yún)^(qū)域,這使得圖5(b)中槳尖渦在槳盤后半?yún)^(qū)域的軸向位移大于槳盤前半?yún)^(qū)域。從圖5(c)預(yù)測(cè)出的槳盤平面內(nèi)BVI發(fā)生位置可以看出,在前行側(cè)50°和后行側(cè)300°方位角附近的槳尖區(qū)域處,存在很強(qiáng)的槳-渦平行干擾(圖中槳-渦垂直間距越小的地方用越大的圖標(biāo)表示)。

圖6(a)為槳盤的氣動(dòng)載荷分布(Cn為法向力系數(shù)),氣動(dòng)載荷在有槳-渦干擾的槳葉方位角附近波動(dòng)很顯著。將0.87R槳葉剖面處的非定常氣動(dòng)載荷與試驗(yàn)值和Boyd基于CFD/CSD方法的計(jì)算值[9]進(jìn)行對(duì)比,如圖6(b)所示?？梢钥闯?本文和Boyd的計(jì)算結(jié)果都有效地捕捉到了后行側(cè)(約270°～330°槳葉方位角)的槳-渦干擾,氣動(dòng)載荷波動(dòng)的頻率和幅值均與試驗(yàn)值符合得較好。而在前行側(cè)槳-渦干擾區(qū)域(約為20°～70°槳葉方位角),本文的結(jié)果能夠正確反映載荷波動(dòng)的趨勢(shì),但波動(dòng)幅值相對(duì)試驗(yàn)值和文獻(xiàn)[9]中采用CFD/CSD方法計(jì)算出的結(jié)果偏大,進(jìn)一步影響了70°～120°槳葉方位角的載荷結(jié)果,這可能是由于本文采用的尾跡模型對(duì)槳葉前行側(cè)槳-渦垂直距離預(yù)測(cè)不夠精確造成的。需要指出的是,為了盡量減弱CFD方法的固有數(shù)值耗散對(duì)槳-渦干擾波動(dòng)載荷的“抹平”效應(yīng),Boyd的CFD/CSD模擬中總共使用了約6 900萬個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),其計(jì)算在NASA的Columbia超級(jí)計(jì)算機(jī)才得以完成,計(jì)算時(shí)間仍以小時(shí)計(jì),而本文的計(jì)算在PC上就可以實(shí)現(xiàn),且計(jì)算耗時(shí)不超過1 min,因此本文建立的方法十分高效,同時(shí)具有較好的精度,適合于需要進(jìn)行參數(shù)分析的高階諧波控制規(guī)律研究及將來的工程應(yīng)用。

圖5 HARTⅡ旋翼槳-渦干擾飛行狀態(tài)(未施加HHC)Fig.5 HARTⅡrotor BVI flight state(without HHC)

圖6 HARTⅡ旋翼槳-渦干擾飛行狀態(tài)氣動(dòng)載荷(未施加HHC)Fig.6 HARTⅡrotor loading under BVI flight state(without HHC)

2.3 施加高階諧波控制時(shí)的槳-渦干擾狀態(tài)

圖7給出了不同3階諧波控制相位下槳盤下方2.215 m平面內(nèi)最大的噪聲幅值SPLmax?？梢钥闯?不同控制相位下的SPLmax差別很大,并非任意控制相位都能有效地抑制槳-渦干擾噪聲。在最優(yōu)噪聲控制相位Ψ3=300°時(shí),本文計(jì)算出的SPLmax=112.2 d B,比基準(zhǔn)狀態(tài)的噪聲幅值(115.1 dB)小了近3 dB;而當(dāng) Ψ3=180° 時(shí),SPLmax高達(dá)117.5 d B,超出最優(yōu)控制時(shí)的噪聲幅值5.3 dB,該控制相位下噪聲輻射情況比基準(zhǔn)狀態(tài)更為嚴(yán)重。將不同控制相位下的噪聲幅值與文獻(xiàn)[9]中給出的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相比,本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值之間的誤差不超過1 d B,表明本文建立的計(jì)入高階諧波控制影響的旋翼槳-渦干擾噪聲計(jì)算模型取得了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖7 不同控制相位下的最大噪聲幅值Fig.7 SPLmax at different control phases

圖8為最優(yōu)控制和最差控制時(shí),高階諧波控制引起的槳尖渦在槳盤平面內(nèi)的附加軸向位移。從圖8(a)中可以看出,在最優(yōu)控制時(shí),在前行側(cè)50°和后行側(cè)300°方位角槳尖區(qū)域附近,槳尖渦附加了一個(gè)向下的軸向位移,這使得槳尖渦與槳盤平面的軸向間距相對(duì)基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)增大,降低了槳尖渦在槳葉表面引起的附加誘導(dǎo)速度,使得相應(yīng)槳葉剖面的迎角振蕩減弱,從而減弱非定常氣動(dòng)載荷的波動(dòng)幅值,最終抑制輻射出的噪聲。而從圖8(b)最差相位控制時(shí)可以看出,槳尖渦在前后行側(cè)附加的是向上的軸向位移,這與最優(yōu)控制時(shí)的效果相反,使得BVI噪聲輻射較基準(zhǔn)狀態(tài)更嚴(yán)重。

圖8 HHC引起的槳尖渦附加軸向位移Fig.8 Additional tip vortex vertical displacement caused by HHC

為進(jìn)一步分析采取最優(yōu)和最差控制策略時(shí)二者的差異,圖9給出了槳距角隨槳葉方位角的變化。將基準(zhǔn)狀態(tài)下試驗(yàn)測(cè)出的槳距與剛性槳葉假設(shè)下的槳距輸入對(duì)比可以看出,槳葉彈性扭轉(zhuǎn)會(huì)降低槳距角,一個(gè)槳葉旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的平均槳距相對(duì)剛性槳葉小1°左右。加入高階諧波控制后,在前后行側(cè)槳-渦干擾區(qū)域,最優(yōu)控制和最差控制時(shí)槳距相差約2°,前者槳距角低于基準(zhǔn)狀態(tài),而后者高于基準(zhǔn)狀態(tài)。圖10為高階諧波控制下0.87R槳葉剖面的非定常氣動(dòng)載荷隨方位角的變化,可以看出本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值符合得較好,且施加控制時(shí)一個(gè)槳葉旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)氣動(dòng)載荷的波動(dòng)幅值比基準(zhǔn)狀態(tài)(圖6(b))時(shí)大。

圖9 不同狀態(tài)下HARTⅡ旋翼的槳距角Fig.9 Blade pitch angles of HARTⅡrotor with different state

圖10 施加HHC時(shí)0.87R槳葉剖面氣動(dòng)載荷Fig.10 Blade loading of 0.87R with HHC

3 結(jié) 論

本文基于修正Beddoes尾跡/槳葉動(dòng)力學(xué)耦合模型和Farassat 1A公式,建立了一套能夠計(jì)入高階諧波控制影響的旋翼槳-渦干擾噪聲數(shù)值模擬方法。采用3階諧波控制,針對(duì)HARTⅡ旋翼在不同控制相位下的非定常氣動(dòng)載荷和BVI噪聲進(jìn)行了計(jì)算分析,得到如下結(jié)論:

1)高階諧波控制的相位選擇對(duì)旋翼槳-渦干擾噪聲的控制有至關(guān)重要的影響,合理的相位輸入能有效抑制噪聲,若控制相位選擇不當(dāng),反而會(huì)惡化槳-渦干擾噪聲輻射情況。

2)高階諧波的控制階次越高,對(duì)尾跡的扭曲作用越小,超過六階的高階諧波控制起的作用可忽略不計(jì)。

3)槳葉的動(dòng)力學(xué)特性尤其是扭轉(zhuǎn)特性對(duì)高階諧波控制的影響很大,當(dāng)高階諧波輸入的階次與槳葉的基階扭轉(zhuǎn)頻率相近時(shí),控制效果會(huì)大大增強(qiáng)。

4)高階諧波控制主要通過改變槳-渦垂直間距來影響B(tài)VI噪聲幅值,增大槳盤平面內(nèi)發(fā)生槳-渦干擾方位角處的槳-渦垂直間距可有效地抑制BVI噪聲。

[1] HUBBARD H H.Aeroacoustics of flight vehicles:Theory and practice[M].Melville,NY:American Institute of Physics,1995.

[2] HARDIN J C,LAMKIN S L.Concepts for reduction of blade-vortex interaction noise[J].Journal of Aircraft,1986,24(2):120-125.

[3] YU Y H,GMELIN B,SPLETTSTOESSER W,et al.Reduction of helicopter blade-vortex interaction noise by active rotor control technology[J].Progress in Aerospace Sciences,1997,33(9):647-687.

[4] WOOD E R,POWERS R W,CLINE J H,et al.On developing and flight testing a higher Harmonic control system[J].Journal of the American Helicopter Society,1985,30(1):3-20.

[5] POLYCHRONIADIS M,ACHACHE M.Higher harmonic control:Flight tests of an experimental system on SA 349 research gazelle[C]//American Helicopter Society Annual Forum,1986.

[6] WALSH D M.Flight tests of an open loop higher harmonic control system on an S-76A helicopter[D].BocaRaton:Florida Florida Atlantic University,1986.

[7] GIOVANETTI E B,HALL K C.Optimum design of compound helicopters that use higher harmonic control[J].Journal of Aircraft,2015,52(5):1-10.

[8] SPLETTSTOESSER W R,SCHULTZ K J,KUBE R,et al.A higher harmonic control test in the DNW to reduce impulsive BVI noise[J].Journal of the American Helicopter Society,1994,39(4):3-13.

[9] BOYD D D.HART-Ⅱacoustic predictions using a coupled CFD/CSD method[C]//American Helicopter Society Annual Forum,2009.

[10] 楊一棟,袁衛(wèi)東.直升機(jī)隨機(jī)自適應(yīng)高階諧波控制抑振研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),1996(2):177-181.YANG Y D,YUAN W D.Study of helicopter vibration reduction technique with stochastic adaptive HHC[J].Journal of Vibration Engineering,1996(2):177-181(in Chinese).

[11] 馮劍波,陸洋,徐錦法,等.旋翼槳-渦干擾噪聲開環(huán)槳距主動(dòng)控制研究[J].航空學(xué)報(bào),2014,35(11):2901-2909.FENG J B,LU Y,XU J F,et al.Research on the effect of open-loop active blade pitch control on rotor BVI noise alleviation[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2014,35(11):2901-2909(in Chinese).

[12] WALL B G,LIM J W,SMITH M J.An assessment of comprehensive code prediction state-of-the-art using the HARTⅡinternational workshop data[C]//American Helicopter Society Annual Forum,2012.

[13] WALL B G.Prescribed wake modifications to account for harmonic rotor loading and validation with HART data[C]//American Helicopter Society Annual Forum,2011.

[14] WALL B G.Helicopter rotor BVI airloads computation using advanced prescribed wake modeling[C]//29th AIAA Applied Aerodynamics Conference,2011.

[15] BEDDOES T S.A wake model for high resolution airloads[C]//International Conference on Rotorcraft Basic Research,1985.

[16] LEISHMAN J G.Principles of helicopter aerodynamics[M].Cambridge:Cambridge University Press,2006.

[17] BHAGWAT M J,LEISHMAN J G.Generalized viscous vortex model for application to free-vortex wake and aeroacoustic calculations[C]//American Helicopter Society Annual Forum,2002.

[18] WALL B G.The effect of HHC on the vortex convection in the wake of a helicopter rotor[J].Aerospace Science&Technology,2000,4(5):321-336.

[19] YUAN K A,FRIEDMANN P P.Aeroelasticity and structural optimization of composite helicopter rotor blades with swept tips:NASA Report 4665[R].Washington,D.C.:NASA,1995.

[20] WALL B G.2nd HHC Aeroacoustic rotor test(HART-Ⅱ)-Part 1:Test documentation:Report IB 111-2003/31[R].Cologne:German Aerospace Center Institute,2003.

[21] WILLIAMS J E F,HAWKINGS D L.Sound generation by turbulence and surfaces in arbitrary motion[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,1969,264(1151):321-342.

[22] FARASSAT F.Derivation of formulations 1 and 1A of Farassat:NASA TM-2007-214853[R].Washington,D.C.:NASA,2007.

lnfluence of higher harmonic control on airload and acoustics of rotor blade-vortex interaction

WANG Liangquan,XU Guohua*,SHl Yongjie,XlA Runze

National Key Laboratory of Science and Technology on Rotorcraft Aeromechanics,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China

Harsh blade-vortex interaction(BVl)noise will be generated when a helicopter is flying at a moderate speed level flight or descending.Based on the modified Beddoes wake/blade structural dynamics coupling model and Farassat 1A formula,a rotor BVl airload and acoustics prediction method is proposed,in which the influence of higher harmonic control(HHC)can be included.The additional tip vortex vertical displacement caused by HHC is derived from time integration of higher harmonic inflow,and a transfer function that relates single HHCinput to resulting response at the same and neighboring frequencies is identified by blade dynamic characteristics.The rotor airload of the baseline case in higher harmonic control aeroacoustics rotor TestⅡ(HARTⅡ)is investigated and compared with experimental data firstly.The influencing mechanism and varying pattern of the rotor acoustic property at different 3/Rev control phases is then assessed.The results show that blade dynamic characteristics,especially torsional behaviors,are important for effectiveness of higher harmonic control.Selection of HHC phase input is significant to BVl noise control,and irrational HHC phase input will worsen noise radiation.

higher harmonic control;helicopter;rotor;blade-vortex interaction;aerodynamic loading;noise

2016-10-13;Revised:2017-02-19;Accepted:2017-02-28;Published online:2017-03-20 15:15

URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170320.1515.012.html

s:Funding of Jiangsu lnnovation Program for Graduate Education(KYLX16_0389);Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education lnstitutions

V211.52

A

1000-6893(2017)07-520847-10

10.7527/S1000-6893.2017.520847

2016-10-13;退修日期:2017-02-19;錄用日期:2017-02-28;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2017-03-20 15:15

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170320.1515.012.html

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX16_0389);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程基金

*通訊作者.E-mail:ghxu@nuaa.edu.cn

王亮權(quán),徐國華,史勇杰,等.高階諧波控制對(duì)旋翼槳-渦干擾載荷和噪聲的影響[J].航空學(xué)報(bào),2017,38(7):520847.WANG L Q,XU GH,SHl Y J,et al.lnfluence ofhigher harmonic control on airload and acoustics ofrotor blade-vortex interaction[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2017,38(7):520847.

(責(zé)任編輯:鮑亞平,蘇磊)

*Corresponding author.E-mail:ghxu@nuaa.edu.cn