一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法及螺旋桨构型

摘要

本发明提供一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法，包括：S100：依据预设的飞行器螺旋桨的基本叶形进行CFD计算流体动力学计算，得到叶形在不同雷诺数和不同迎角下相对应的升力系数和阻力系数；S200：依据预设的环境气体流动状态和螺旋桨几何参数，以及升力系数和阻力系数进行动量叶素理论计算，得到螺旋桨的空气动力数据；S300：依据预设的螺旋桨几何参数和螺旋桨的空气动力数据进行FW‑H气动声学方程计算得到螺旋桨的噪声特性数据；S400：调用基于模拟退火思想的优化算法循环执行步骤S200至S300，直至噪声特性数据收敛，得到螺旋桨的最佳几何参数。本发明同时兼顾螺旋桨的功率和噪声问题，极大降低飞行器在飞行过程中产生的噪声。

说明书

本案是以申请号为201510280181.2，名称为《一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法》的专利申请为母案的分案申请。

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体说的是一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法。

背景技术

现有技术的小型四旋翼飞行器的螺旋桨设计主要基于两个方面考虑：第一，设计的螺旋桨升阻特性要满足四旋翼飞行器载重、机动性以及电机功率的要求；第二，保证气动特性的前提下尽可能的降低螺旋桨的工作噪声。

目前国内外市场上已有的螺旋桨设计大多采用最高效率的设计方法，而对噪声水平考虑不足，且多为常规飞行器提供拉力或推力，几乎没有专门针对小型四旋翼飞行器设计的低噪声螺旋桨。四旋翼飞行器与常规的飞行器所用螺旋桨在工作条件方面是具有明显区别的，因此，针对四旋翼飞行器的螺旋桨设计方法还需要进一步研究提升。

如专利申请号为201410398306.7，名称为《高超声速飞行器CFD气动建模方法》的发明专利，对飞行器建模后先后经过CFD前处理、CFD求解器和CFD后处理三个阶段最终得到飞行器的气动特性，为飞行器的设计提供可靠的依据，且节约开发成本。但还是没有专门针对飞行器的螺旋桨提供一种能够降低噪声的设计方法，而针对现有技术为了获取螺旋桨气动和噪声特性而普遍采用的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法，虽然说能够很好的结合计算机硬件计算能力和数学数值计算方法来求解流体力学问题，且随着计算流体力学(CFD方法)的快速发展，其求解结果也更加的精确。但是其时间开销却是让人难以接受的，尤其是随着螺旋桨的不断优化发展，需要能够快速的获取螺旋桨的启动和噪声特性，采用CFD方法得出气动和噪声特性开始无法满足人们的需求，因此，有必要提供一种能够缩短飞行器气动和噪声特性的求解周期，且能够根据求解结果来降低飞行器螺旋桨噪声的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法，能够得到兼具气动特性和低噪声特点的飞行器螺旋桨。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法，包括：

S100：依据飞行器螺旋桨的基本叶形进行CFD计算流体动力学计算，得到所述叶形在不同雷诺数和不同迎角下相对应的升力系数和阻力系数；

S200：依据预设的环境气体流动状态、预设的螺旋桨几何参数，以及所述升力系数和阻力系数进行动量叶素理论计算，得到所述螺旋桨的空气动力数据；

S300：依据预设的螺旋桨几何参数和所述螺旋桨的空气动力数据进行FW-H气动声学方程计算得到螺旋桨的噪声特性数据；

S400：调用基于模拟退火思想的优化算法循环执行步骤S200至S300，直至所述噪声特性数据收敛，得到螺旋桨的几何参数。

本发明的有益效果在于：区别于现有技术的飞行器一味追求高效率的飞行性能，而忽略在飞行过程中螺旋桨产生的工作噪音污染，进而导致飞行器在室内等具有低噪声要求的特殊场合有使用限制，影响使用者飞行体验的问题。本发明提供一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法，首先依据初定的螺旋桨叶形进行CFD计算，得到初定叶形中不同雷诺数和不同迎角情况下的升力系数和阻力系数；再依据飞行器所处特定环境下的气体流动状态和初定叶形的几何参数进行动量叶素理论计算得到螺旋桨的气动特性；再来，依据表示螺旋桨噪声信号特性的FW-H方程求解得到螺旋桨的噪声特性；最后，调用优化方法在对螺旋桨的气动特性、噪声特性和初定的几何参数不断循环计算的过程中得出螺旋桨的最佳几何参数。经过本发明所述的低噪声飞行器螺旋桨的设计方法得到的螺旋桨构型，不仅保证了飞行器在飞行过程中载重、机动性及功率等气动特性要求；而且同时兼顾了噪声特性，能够有效降低飞行器在飞行过程中螺旋桨旋转产生的噪音污染；进一步的，优化飞行器的飞行性能，提高操控者的飞行体验，适用于各种场合。

附图说明

图1为本发明一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法的流程框图；

图2为本发明一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法的流程框图；

图3为本发明一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法的流程框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：依据预设的螺旋桨基本叶形进行CFD计算和动量叶素理论计算得到螺旋桨的气动特性，再通过FW-H计算得到的螺旋桨声学特性，最后结合模拟退火优化算法得到螺旋桨的最佳几何参数。

名词解释：

CFD：计算流体动力学；以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题；

FW-H方程：气动声学方程；

雷诺数：一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力；

迎角：对于固定翼飞机，机翼的前进方向(相当于气流的方向)和翼弦(与机身轴线不同)的夹角叫迎角，也称为攻角，它是确定机翼在气流中姿态的基准，升力系数和阻力系数都是迎角的函数，一定范围内，迎角越大，升力系数与阻力系数也越大；

升力系数：一个无量纲量，指物体所受到的升力与气流动压和参考面积的乘积之比；

阻力系数：对于飞行器来说，阻力系数定义为物体(如飞机、导弹)所受到的阻力与气流动压和参考面积之比，是一个无量纲量；

螺旋桨几何参数：包括螺旋桨的直径D、桨叶数目B、实度σ、桨叶角β、几何螺距H、实际螺距Hg和理论螺距HT的螺旋桨构型参数；

叶素：桨叶由连续布置的无限多个桨叶微段(即叶素)组成；

收敛：飞行器的一种飞行模式，扩张炮喷管的前半部由大变小向中间收缩至一个窄喉。窄喉之后又由小变大向外扩张。燃气受高压流入喷嘴的前半部，穿过窄喉后由后半部逸出

空气动力数据：基于空气动力学采集得到的数据；

噪声特性数据：基于飞行器在飞行过程中的噪声特性采集得到的数据；

机翼空气动力系数：基于机翼空气动力特征的系数，指的是三维机翼的空气动力系数随机翼几何外形、迎面来流马赫数、迎角和侧滑角的变化规律，是决定飞行空气动力特性的最重要因素；

速度系数初始值：飞行器在飞行过程中的飞行速度与空气流速的速度之比的初始值；

速度系数：飞行器在飞行过程中的飞行速度与空气流速的速度之比；

时间导数：表达函数时域自变数变化时如何确定函数值的瞬时变化率；

载荷噪声：飞行器在空中和地面运行以及运输过程中，结构所承受的噪声的统计表示。

请参照图1以及图2，本发明提供一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法，包括：

S100：依据预设的飞行器螺旋桨的基本叶形进行CFD计算流体动力学计算，得到所述叶形在不同雷诺数和不同迎角下相对应的升力系数和阻力系数；

S200：依据预设的环境气体流动状态、预设的螺旋桨几何参数，以及所述升力系数和阻力系数进行动量叶素理论计算，得到所述螺旋桨的空气动力数据；

S300：依据预设的螺旋桨几何参数和所述螺旋桨的空气动力数据进行FW-H气动声学方程计算得到螺旋桨的噪声特性数据；

S400：调用基于模拟退火思想的优化算法循环执行步骤S200至S300，直至所述噪声特性数据收敛，得到螺旋桨的几何参数。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法，首先依据初定的螺旋桨叶形进行CFD计算，得到初定叶形中不同雷诺数和不同迎角情况下的升力系数和阻力系数；再依据飞行器所处特定环境下的气体流动状态和初定叶形的几何参数进行动量叶素理论计算得到螺旋桨的气动特性；再来，依据表示螺旋桨噪声信号特性的FW-H方程求解得到螺旋桨的噪声特性；最后，调用优化方法在对螺旋桨的气动特性、噪声特性和初定的几何参数不断循环计算的过程中得出螺旋桨的最佳几何参数。经过本发明所述的低噪声飞行器螺旋桨的设计方法得到的螺旋桨构型，不仅保证了飞行器在飞行过程中载重、机动性及功率等气动特性要求；而且同时兼顾了噪声特性，能够有效降低飞行器在飞行过程中螺旋桨旋转产生的噪音污染；进一步的，优化飞行器的飞行性能，提高操控者的飞行体验，适用于各种场合。

进一步的，步骤S200具体包括：

S201：依据所述叶形的不同雷诺数、不同迎角和预设的螺旋桨几何参数对螺旋桨叶素进行划分，得到两组以上的叶素组；

S202：对速度系数初始值和各叶素组所对应的雷诺数和迎角进行计算，得到各叶素组对应的机翼空气动力系数和速度系数；

S203：使用优化算法循环执行步骤S202直至收敛，得到螺旋桨空气动力数据。

进一步的，步骤S300具体包括：

S301：依据螺旋桨的空气动力数据中的叶素空气动力参数、所述螺旋桨的几何数据中的螺旋桨半径、转速和观察者位置坐标进行迭代计算，得到延迟时间和相对位矢；

S302：依据所述延迟时间和相对位矢进行FW-H气动声学方程计算，得到F、M、相对应的时间导数和相对位矢方向投影量；

S303：利用FW-H气动声学方程近似解计算得到所述螺旋桨的单个叶素的厚度和载荷噪声；

S304：依据所述螺旋桨的单个叶素的厚度和载荷噪声以及所述螺旋桨的桨叶数量和叶素数量得到所述螺旋桨的厚度和载荷噪声；

S305：依据所述螺旋桨的厚度和载荷噪声计算得到螺旋桨的平均声压级。

进一步的，步骤S100后还包括将所述叶形在不同雷诺数和不同迎角下相对应的升力系数和阻力系数以表格形式体现。

进一步的，所述飞行器为小型四旋翼飞行器。

请参照图2和图3，本发明的实施例一为：

S100：依据预设的飞行器螺旋桨的基本叶形进行CFD计算流体动力学计算，得到所述叶形在不同雷诺数和不同迎角下相对应的升力系数和阻力系数；

通过预设飞行器螺旋桨的基本叶形，获取计算基础；

S101：将所述叶形在不同雷诺数和不同迎角下相对应的升力系数和阻力系数以表格形式体现。

S200：依据预设的环境气体流动状态、预设的螺旋桨几何参数，以及所述升力系数和阻力系数进行动量叶素理论计算，得到所述螺旋桨的空气动力数据；

所述预设的环境气体流动状态指的是预设一飞行器所处的环境，如室内环境、室外环境、室外的大风环境或室外的雨天环境等，每个环境都有与之相对应的特定环境气体流动状态；通过结合计算，获取飞行器的螺旋桨在这一特定环境气体流通状态下的气动特性，为后续计算提供运算基础。

具体包括：

S201：依据所述叶形的不同雷诺数、不同迎角和预设的螺旋桨几何参数对螺旋桨叶素进行划分，得到两组以上的叶素组；

S202：对速度系数初始值和各叶素组所对应的雷诺数和迎角进行计算，得到各叶素组对应的机翼空气动力系数和速度系数；

S203：使用优化算法循环执行步骤S202直至收敛，得到螺旋桨空气动力数据。

S300：依据预设的螺旋桨几何参数和所述螺旋桨的空气动力数据进行FW-H气动声学方程计算得到螺旋桨的噪声特性数据；

具体包括：

S301：依据螺旋桨的空气动力数据中的叶素空气动力参数、所述螺旋桨的几何数据中的螺旋桨半径R、转速Q和观察者位置坐标进行迭代计算，得到延迟时间和相对位矢；

S302：依据所述延迟时间和相对位矢进行FW-H气动声学方程计算，得到F、M、相对应的时间导数和相对位矢方向投影量；

S303：利用FW-H气动声学方程近似解计算得到所述螺旋桨的单个叶素的厚度和载荷噪声；

S304：依据所述螺旋桨的单个叶素的厚度和载荷噪声以及所述螺旋桨的桨叶数量和叶素数量得到所述螺旋桨的厚度和载荷噪声；

S305：依据所述螺旋桨的厚度和载荷噪声计算得到螺旋桨的平均声压级。

S400：调用基于模拟退火思想的优化算法循环执行步骤S200至S300，直至所述噪声特性数据收敛，得到螺旋桨的最佳几何参数。综上所述，本发明提供的一种低噪声飞行器螺旋桨的设计方法得到的螺旋桨构型，不仅保证了飞行器在飞行过程中载重、机动性及功率等气动特性要求；而且同时兼顾了噪声特性，能够有效降低飞行器在飞行过程中螺旋桨旋转产生的噪音污染；进一步的，优化飞行器的飞行性能，提高操控者的飞行体验，适用于各种场合。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。