普通双叶螺旋桨的压力波动及噪声解析
软件: ANSYS
精心设计与验证：双叶片螺旋桨压力变化与噪音特性分析
摘要： 本文聚焦于多用途无人机（UAV）螺旋桨，尤其是双叶片螺旋桨的性能研究。经过回顾历史发展，揭示了降噪技术的重要性。基于麻省理工学院（MIT）和日本航天局（JAXA）的研究进展，聚焦了环形螺旋桨的低噪音特性。本研究采用CFD数值计算与实验方法，分别在40Hz、50Hz、60Hz转速下检验螺旋桨叶片壁的压力变动与噪音产生模式，明确划分了一类基于离散频率的噪音现象。
1. 绪论
近年来，无人机广泛应用于农药喷洒、架线工程、货物运输、侦察和战术轰炸等多元领域，然而，其推进系统——螺旋桨的性能，特别是在噪音控制方面展现出迫切的需求。尤其在空中物流与飞行汽车的兴起下，未来城市上空将大量使用小型无人机，螺旋桨产生的噪音不仅是提升用户体验的关键，也是推动飞行汽车等新技术实施的难点之一。
2. 螺旋桨形状模型
2.1 NACA 4Digit翼型设计
本文所使用的螺旋桨具有2片NACA 6412翼型叶片，外径为长径的0.15米，中心直径为0.03米。叶片安装角和弦长沿径向变化，通过参数表提供了详细信息。[见具体参数表]
图2 表示螺旋桨旋转压力场的动态变化，展现气动特性。
3. 理论基础与噪音分析
3.1 叶片周围流体噪音
流体噪音源于涡旋运动伴随的压力波动，根据LighthillCurle的基本理论，物体周围不稳定流的涡旋改变了表面压力，产生动噪声。在螺旋桨情况下，上游扰动和尾流涡流起主要作用，特别是翼尖产生的涡流。
3.2 旋转流体噪音
旋转器的动力非线性运动诱发了流体扰动，形成高压和低压的交替区域，旋翼叶片的运动产生周期性的压力变化，这些变化将以与转速相同的频率在空气中扩散，形成离散的频率噪声源。
4. 数值仿真计算
采用ANSYS Workbench与CFX 2023 R1软件构建模型，设置为螺旋桨直径的5倍和高度的5倍的大尺寸圆柱作为分析区域。通过调整网格密度和时间步长，模拟螺旋桨在40Hz、50Hz和60Hz转速下的空气动力特性。通过对叶片壁压力波形的分析，揭示其与噪音产生的关系。
5. 实验方法
实验装置包括2片150mm直径的双叶片螺旋桨，利用LD直流稳定电源和麦克风阵列记录44100Hz采样的噪音。通过将这些数据与CFD结果对比，验证压力波形的准确性，从而评估不同转速下螺旋桨的噪音特性。
6. 分析与实验结果
图5 显示了40Hz、50Hz和60Hz转速下CFD和实验压力波形的动态比较。结果显示，这些波形呈现周期性变化，与螺旋桨旋转频率一致，进一步确认了流体力学与压力/噪音之间的紧密关联。
7. 结论与展望
本研究最终确认普通双叶片螺旋桨主要产生由旋转速度驱动的离散频率噪音。随着旋转频率的增加，噪音强度相应提升。未来研究将转向对比不同形状的环形螺旋桨，旨在优化噪音控制，比较其在实际应用中的性能，寻求最佳方案来减少城市上空的噪音污染，提升无人机和飞行汽车的噪音兼容性。
参考文献
[1] Toroidal Propeller Research Team, "Toroidal Propeller," MIT Lincoln Laboratory, 20232.
[2] 国立研究开发法人宇宙航空研究開発機構, "JAXAとACSLが低騒音プロペラ(Looprop)の設計手法の高度化に関する共同研究で静音効果を確認," JAXA, 20230316.
[3] 齋藤 明徳等, "汎用CADにより風車ブレードの高精度3Dモデリング", 設計工学, 2014年1月、Vol.49、No.1.
[4] 吉川 茂, 和田 仁, "音源の流体音響学", 日本音響学会編、コロナ社, 2007年、pp109127.
该论文通过深入的CFD仿真与实验验证，明确当前双叶片螺旋桨在不同转速下的压力变化与噪音特性，为未来的无人机与飞行汽车设计提供了科学依据，旨在推动技术创新与用户体验提升。
摘要： 本文聚焦于多用途无人机（UAV）螺旋桨，尤其是双叶片螺旋桨的性能研究。经过回顾历史发展，揭示了降噪技术的重要性。基于麻省理工学院（MIT）和日本航天局（JAXA）的研究进展，聚焦了环形螺旋桨的低噪音特性。本研究采用CFD数值计算与实验方法，分别在40Hz、50Hz、60Hz转速下检验螺旋桨叶片壁的压力变动与噪音产生模式，明确划分了一类基于离散频率的噪音现象。
1. 绪论
近年来，无人机广泛应用于农药喷洒、架线工程、货物运输、侦察和战术轰炸等多元领域，然而，其推进系统——螺旋桨的性能，特别是在噪音控制方面展现出迫切的需求。尤其在空中物流与飞行汽车的兴起下，未来城市上空将大量使用小型无人机，螺旋桨产生的噪音不仅是提升用户体验的关键，也是推动飞行汽车等新技术实施的难点之一。
2. 螺旋桨形状模型
2.1 NACA 4Digit翼型设计
本文所使用的螺旋桨具有2片NACA 6412翼型叶片，外径为长径的0.15米，中心直径为0.03米。叶片安装角和弦长沿径向变化，通过参数表提供了详细信息。[见具体参数表]
图2 表示螺旋桨旋转压力场的动态变化，展现气动特性。
3. 理论基础与噪音分析
3.1 叶片周围流体噪音
流体噪音源于涡旋运动伴随的压力波动，根据LighthillCurle的基本理论，物体周围不稳定流的涡旋改变了表面压力，产生动噪声。在螺旋桨情况下，上游扰动和尾流涡流起主要作用，特别是翼尖产生的涡流。
3.2 旋转流体噪音
旋转器的动力非线性运动诱发了流体扰动，形成高压和低压的交替区域，旋翼叶片的运动产生周期性的压力变化，这些变化将以与转速相同的频率在空气中扩散，形成离散的频率噪声源。
4. 数值仿真计算
采用ANSYS Workbench与CFX 2023 R1软件构建模型，设置为螺旋桨直径的5倍和高度的5倍的大尺寸圆柱作为分析区域。通过调整网格密度和时间步长，模拟螺旋桨在40Hz、50Hz和60Hz转速下的空气动力特性。通过对叶片壁压力波形的分析，揭示其与噪音产生的关系。
5. 实验方法
实验装置包括2片150mm直径的双叶片螺旋桨，利用LD直流稳定电源和麦克风阵列记录44100Hz采样的噪音。通过将这些数据与CFD结果对比，验证压力波形的准确性，从而评估不同转速下螺旋桨的噪音特性。
6. 分析与实验结果
图5 显示了40Hz、50Hz和60Hz转速下CFD和实验压力波形的动态比较。结果显示，这些波形呈现周期性变化，与螺旋桨旋转频率一致，进一步确认了流体力学与压力/噪音之间的紧密关联。
7. 结论与展望
本研究最终确认普通双叶片螺旋桨主要产生由旋转速度驱动的离散频率噪音。随着旋转频率的增加，噪音强度相应提升。未来研究将转向对比不同形状的环形螺旋桨，旨在优化噪音控制，比较其在实际应用中的性能，寻求最佳方案来减少城市上空的噪音污染，提升无人机和飞行汽车的噪音兼容性。
参考文献
[1] Toroidal Propeller Research Team, "Toroidal Propeller," MIT Lincoln Laboratory, 20232.
[2] 国立研究开发法人宇宙航空研究開発機構, "JAXAとACSLが低騒音プロペラ(Looprop)の設計手法の高度化に関する共同研究で静音効果を確認," JAXA, 20230316.
[3] 齋藤 明徳等, "汎用CADにより風車ブレードの高精度3Dモデリング", 設計工学, 2014年1月、Vol.49、No.1.
[4] 吉川 茂, 和田 仁, "音源の流体音響学", 日本音響学会編、コロナ社, 2007年、pp109127.
该论文通过深入的CFD仿真与实验验证，明确当前双叶片螺旋桨在不同转速下的压力变化与噪音特性，为未来的无人机与飞行汽车设计提供了科学依据，旨在推动技术创新与用户体验提升。
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