高效、低噪旋翼的综合优化设计方法

摘要

建立了一套基于计算流体力学(CFD)、声学类比法(FW-H)和多目标遗传算法(MOGA)的旋翼桨尖外形气动和噪声特性综合优化设计方法.首先,采用积分形式的RANS方程作为旋翼流场求解控制方程,围绕旋翼流场的网格采用嵌套网格方法生成,其中,桨叶网格采用提出的高效参数化的网格自动生成方法.在建立的旋翼流场CFD求解基础上,采用基于可穿透旋转积分面的鲁棒性较好的FW-H_pds方法来求解旋翼高速脉冲(HSI)噪声.在旋翼气动和噪声分析方法验证的基础上,以降低旋翼高速脉冲噪声和提高旋翼悬停气动性能为目标,提出具备前掠-后掠-尖削等组合特征的桨尖外形方案并进行优化分析.为了提高优化计算效率,将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法耦合到遗传算法(GA)过程中,建立了一种高效的组合优化算法.最后,比较了优化后桨尖外形与矩形桨尖旋翼的HSI噪声特性.在当前的计算状态下,优化后的桨尖外形的负压峰值相比于矩形桨叶降低了58.4％,优化后的桨叶有效地减弱了旋翼桨尖区域的跨音速“离域化”(delocalization)现象,因此可以降低旋翼HSI噪声特性,同时可以减弱旋翼桨尖涡强度达30％,旋翼悬停性能提高了2-3％.