一种螺旋桨气动噪声风洞模型设计方法

摘要

本申请属于飞机设计技术领域，特别涉及一种螺旋桨气动噪声风洞模型设计方法。所述方法包括根据相似准则量纲分析法保证螺旋桨气动噪声风洞模型与原型螺旋桨之间的几何相似、流动相似和动力相似，从而确定所述螺旋桨气动噪声风洞模型与所述原型螺旋桨之间的各参数相似比的比值；选取满足尺寸、功率和噪声要求的螺旋桨气动噪声风洞模型的驱动装置；采用分段式圆柱型支撑模型；根据整流罩与螺旋桨推力、功率和效率曲线选取对螺旋桨气动噪声风洞模型性能影响最小的整流罩尺寸。本申请的气动噪声风洞模型设计方法，对飞机风洞模型设计考虑更为精细，极大的缩短了研制周期，达到了试验考核的目的。

说明书

技术领域

本申请属于飞机设计技术领域，特别涉及一种螺旋桨气动噪声风洞模型设计方法。

背景技术

风洞模型是指在飞机型号研制过程中，以真实飞机的三维数模为基础，根据相似理论设计生产的物理实验模型。风洞模型是一种用来测量飞机各个组成部件的气动力特性，其设计必须满足风洞安装要求，并进行强度校核计算，同时满足加工、装配精度要求的模型。

风洞模型试验的重点和难点通常体现在风洞模型的设计与规划上。风洞模型的设计与规划直接影响风洞试验的数据效率、质量和成本。在螺旋桨进行气动噪声风洞试验前，亟需建立一种螺旋桨风洞模型设计方法，确保风洞模型设计考虑更为精细，而且极大缩短研制周期和达到试验考核目的。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种螺旋桨气动噪声风洞模型设计方法，包括：

步骤S1、根据相似准则量纲分析法保证螺旋桨气动噪声风洞模型与原型螺旋桨之间的几何相似、流动相似和动力相似，从而确定所述螺旋桨气动噪声风洞模型与所述原型螺旋桨之间的各参数相似比的比值；

步骤S2、根据尺寸、功率和噪声要求，选取满足要求的螺旋桨气动噪声风洞模型的驱动装置；

步骤S3、选取直径是螺旋桨轮毂直径一倍、两倍、三倍的三段式圆柱型支撑，所述分段式圆柱型支撑与螺旋桨的转轴平行；

步骤S4、根据整流罩与螺旋桨推力、功率和效率曲线选取对螺旋桨气动噪声风洞模型性能影响最小的整流罩尺寸；

步骤S5、选用刚性模型制造材料或者弹性模型制造材料构建所述螺旋桨气动噪声风洞模型。

优选的是，步骤S1之前进一步包括选取用于声学试验的开口可更换试验段，且该试验段包含背景噪声小于77dB(A)的全消音室。

优选的是，步骤S1中，确定所述螺旋桨气动噪声风洞模型与原型螺旋桨之间的各参数相似比的比值至少包括：

依次确定所述螺旋桨气动噪声风洞模型与原型螺旋桨之间的长度比、转速比、速度比、拉力比和功率比。

优选的是，步骤S2中，所述驱动装置包括空气动力马达或电机。

优选的是，步骤S5中，刚性模型制造材料选用不锈钢、7075铝合金或LC4，弹性模型制造材料选用7050铝合金或复合材料。

优选的是，步骤S5之后，进一步包括：

步骤S6、采用有限元分析法对风洞模型各部件进行强度校核，并根据有限元分析结果对风洞模型各部件进行结构优化设计，优化目标参数包括螺旋桨推力、功率和效率。

优选的是，所述风洞模型采用立体光固化快速成型技术加工。

本申请从风洞选型出发，通过明确螺旋桨风洞模型缩比尺寸、模型属性、材料和加工方法、要求的选取以及满足性能要求的驱动装置和对螺旋桨性能影响最小的支撑装置和整流罩，模型的强度校核及优化以及装箱及运输要求，提供了一种螺旋桨气动噪声风洞模型详细设计方法，为螺旋桨气动噪声试验提供了可靠的支撑。

附图说明

图1是本申请螺旋桨气动噪声风洞模型设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请螺旋桨气动噪声风洞模型设计方法，如图1所示，主要包括：

步骤一：选取声学风洞：应具有用于声学试验的开口可更换试验段，且该开口试验段应包含背景噪声小于77dB(A)的全消音室(减小背景噪声带来的噪声测量影响，同时实现声学试验所要求的无反射自由声场环境)，并明确试验段截面尺寸、试验段长度、试验段截面积、试验段平均湍流度以及试验段最大风速等主要参数，例如选取某型单回流式低速低湍流度声学风洞。具有开口和闭口两个可更换试验段，风洞开口试验段主要用于声学试验，横截面为矩形，面积为20m

步骤二：根据相似准则量纲分析法实现螺旋桨气动噪声风洞模型与原型螺旋桨之间的几何相似、流动相似和动力相似，进而保证两者工作状态相似以及将螺旋桨的小尺寸风洞模型数据换算到原型上，依次确定长度比、转速比、速度比、拉力比和功率比；

其中，几何相似条件：

θ

其中下标1代表原型螺旋桨，下标2代表风洞模型，D为螺旋桨直径，b为螺旋桨桨叶半径r处的叶素宽度，θ为叶素的安装角，η

本申请提出一种满足上述要求的快速确定螺旋桨风洞模型直径D

流动相似条件：

其中V

动力相似条件

1)Reynolds相似准则

推导出相似比公式：

空气运动粘性比

则转速比

速度比

时间比

拉力比

功率比

2)Strouhal数相似准则

推导出相似比公式：

转速比

速度比

时间比

拉力比

功率比

该实施例步骤中：

已知风洞试验段截面积A为20m

根据公式

按照Reynolds准则设计模型：

空气运动粘性比

则转速比

速度比

时间比

拉力比

功率比

同理可得ST准则设计模型下各种相似比。

步骤三：定义螺旋桨坐标系便于螺旋桨的定位和设计以及试验阶段传感器布置，坐标原点为螺旋桨旋转中心(即桨盘中心)，x轴沿航向正向，y轴沿航向指向右侧，z轴按右手法则确定，向上为正。

步骤四：根据尺寸、功率和噪声要求，选取满足要求的螺旋桨驱动装置：空气动力马达或电机。

本步骤中空气动力马达优点是尺寸小、功率大，缺点是噪声大，且与螺旋桨频率重合；电机优点是噪声小，缺点是功率和尺寸成正比；所以一般选取电机作为螺旋桨驱动装置，有利于进行气动噪声风洞试验，电机性能参数中最大转速应能满足步骤二中转速要求。

步骤五：支撑装置的选取：选取直径是螺旋桨轮毂直径1,2,3倍分段式圆柱型支撑，中心轴线与x轴平行。

步骤六：整流罩的选取：根据整流罩与螺旋桨推力、功率和效率曲线选取对螺旋桨性能影响最小的整流罩尺寸。

螺旋桨的拉力T换算成无量纲系数为：

其中,

螺旋桨的功率P的无量函数形式为：

螺旋桨的效率为：

其中，C

步骤七：传统的风洞模型均被视为刚性模型，为了研究螺旋桨风洞模型的振动或变形可以选用弹性模型。

步骤八：风洞模型材料的选取：螺旋桨风洞模型属于低速风洞模型，刚性模型制造材料一般采用不锈钢、7075或LC4，弹性模型制造材料一般采用7050或复合材料。

步骤九：模型的强度校核及优化：采用有限元分析法对风洞模型主要部件进行强度校核，并根据有限元分析结果对螺旋桨风洞模型进行结构优化设计。

该步骤进行优化设计时，是基于螺旋桨部件参数化敏感性分析，选定关键参数进行螺旋桨推力、功率和效率的目标函数优化。

步骤十：风洞模型的加工方法选取：除了传统的车、铣、刨、磨、钻等制造工艺，还可选取立体光固化等快速成型技术。

步骤十一：风洞模型加工一般要求：

模型各部件表面粗糙度Ra≤0.8μm,各部件配合面粗糙度Ra≤1.6μm，部件装配缝隙≤0.1mm；

销孔配合均按H7/h6执行；

未特别注明的尺寸和形位公差按照以下标准执行：尺寸公差选取IT10级加工，形位公差选取K级加工。

步骤十二：装箱及运输要求：

风洞模型箱采用铝合金材质，箱体转角处应加强包裹，底部带有两根方枕以方便叉车装卸；

风洞模型分部件装箱，箱内填充硬泡沫抠型固定；

每个风洞模型箱内箱盖内侧贴有装箱清单和装箱照片；

风洞模型箱内固定有金属铭牌，铭牌上打印有模型名称、生产日期、模型比例、共几箱第几箱等字样，名牌大小约150mm×100mm；

风洞模型箱外部有“向上”、“防潮”、“易碎”等必要标识；

风洞模型箱外部有“共×箱第×箱”字样；

风洞模型箱内应有模型三坐标计量报告和模型合格证。

本发明从风洞选型出发，通过明确螺旋桨风洞模型缩比尺寸、模型属性、材料和加工方法、要求的选取以及满足性能要求的驱动装置、和对螺旋桨性能影响最小的支撑装置和整流罩，模型的强度校核及优化以及装箱及运输要求，提供了一种螺旋桨气动噪声风洞模型详细设计方法，为螺旋桨气动噪声试验提供了可靠的支撑。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。