Page 210 - 《应用声学》2023年第4期

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of attack. The optimization results indicate that the method has certain application value and can provide
reference for research on propeller noise control.
Keywords: Aerodynamic noise; Propeller; Airfoil optimization; Noise reduction; Genetic algorithm
使用Powell方法优化设计了 NACA0012翼型，使翼
0 引言 型在设计工况下的升阻比提高，噪声降低。
在翼型优化方法问题上，梯度法是较早被学者
近年来，电动飞机凭借其在环保性、舒适性、维
们使用的优化方法之一，该方法计算量相对较小，
修性和经济性等方面的优势，成为航空工业尤其是
但易陷入局部最优解。因此以遗传算法为代表的
通用航空未来的重要发展方向 [1] 。目前，多数电动
进化类优化算法凭借其鲁棒性与全局性逐渐得到
航空器都选择效率较高的螺旋桨作为主要拉力装
了广泛的应用，但使用进化类算法进行翼型的优化
置为其提供前进的动力。然而，螺旋桨在旋转过程
设计存在流场求解次数较多的问题，降低了优化效
中对周围空气产生持续的扰动，也使螺旋桨噪声成
率。目前国内外学者大部分通过引入代理模型来
为了航空器的主要噪声源。螺旋桨噪声会产生多方
提高优化效率，如：Kriging 模型 [11−12] 、响应面模
面的危害，如螺旋桨噪声造成的飞行器机身振动与
型 [13−14] 、POD模型 [15] 等。
声疲劳会影响飞行安全；噪声传入机舱，会严重影响
本文将对面向通用飞机螺旋桨使用的 RAF-
飞行员的驾驶体验以及乘客的乘坐体验；此外螺旋
6 翼型进行降噪优化， 翼型的升、 阻力系数及
桨产生的噪声还会对机场及航线周边环境造成声
气动噪声将通过计算流体动力学 (Computational
污染等 [2] 。因此有效的螺旋桨降噪技术对于电动飞
fluid dynamics, CFD) 与气动声学方程相结合的
机未来发展至关重要。
CFD/FW-H 方法计算得到。将引入响应面模型的
螺旋桨噪声属气动噪声，由高速旋转的螺旋桨
遗传算法作为优化设计方法，型函数的系数作为设
扰动周围空气导致的非定常脉动产生。目前主要的
计变量，翼型气动噪声与升阻比加权组合作为优化
螺旋桨降噪措施有两种，第一种降噪措施的着眼点
目标，保证翼型气动性能不会过多损失，即翼型升、
是降低声源强度；第二种是基于破坏性声波干涉 [3] 。
阻力系数变化不超过 10%作为约束，对RAF-6 翼型
降低声源强度的主要方式即对螺旋桨气动外形进
进行了优化设计，最后将优化翼型与原始翼型进行
行合理设计，主要通过翼型的设计实现。而相对于
对比从而验证优化结果。
重新设计一款翼型，对现有翼型进行优化不失为一
种更为高效的方法。目前国内外对于翼型优化的研
1 螺旋桨翼型气动噪声计算
究工作主要着眼于提升翼型的气动性能。王清等 [4]
针对中型运输直升机翼型进行了优化设计，提出了
1.1 计算方法与理论
相适应的目标函数与约束条件，使翼型气动性能显
本文计算翼型的气动噪声使用 CFD/FW-H 方
著提高。保女子等 [5] 以升阻比为优化目标，使得变
法，该方法先对翼型流场进行 CFD 计算，再将计算
弯度翼型的升阻比提升了22%。熊俊涛等 [6] 优化设
结果代入FW-H方程进行声场的求解。
计了跨声速翼型的气动性能，使翼型的阻力系数减
首先，使用SST k-ω 湍流模型求解稳态流场，该
少了19.34%。而有较少的学者进行了同时考虑声学
模型可表示为
性能与气动性能的翼型优化研究。程江涛等 [7] 提
[ ]
∂ ∂ ∂ ∂k
出以翼型升阻比与噪声比值 (效噪比) 作为优化目 (ρk)+ (ρku i )= Γ k +G k − Y k ,
∂t ∂x i ∂x j ∂x j
标的设计方法，并将优化翼型与常用的风力机翼型
(1)
进行比较，验证了优化结果。刘雄等 [8] 以翼型自噪 ∂ ∂
(ρω) + (ρωu i )
声作为优化目标、翼型气动性能作为约束，得到了高 ∂t ∂x i
[ ]
气动性能、低噪声的风力机专用翼型。李鑫等 [9] 通 = ∂ Γ ω ∂ω + G ω − Y ω + D ω , (2)
过基于噪声预测模型的翼型气动优化设计系统，对 ∂x j ∂x j
超临界翼型进行单点多目标优化设计，显著提升了 其中：Γ k 与 Γ ω 分别为 k 与 ω 的有效扩散率；G k 与
翼型在设计状态下的气动性能与声学性能。卓文涛 G ω 分别为 k 与 ω 的平均速度梯度；Y k 与 Y ω 分别为
等 [10] 使用 BPM 模型预测风力机翼型气动噪声，并 k 与ω 的耗散；D ω 则为交叉扩散项。