基于PowerFLOW的同轴同向旋翼悬停气动声学研究

随着城市低空物流、eVTOL载人飞行器、高端无人机快速普及，气动噪声已成为型号适航与市场准入的核心门槛。传统孤立旋翼的降噪潜力已接近瓶颈，非常规构型——同轴同向旋转旋翼凭借轴向/方位角双重设计自由度，成为新一代低噪旋翼系统的重要研究方向。

本文基于PowerFLOW高保真数值模拟，系统揭示悬停状态下同轴同向旋翼的流场演化、桨-涡干扰（BVI）及远场噪声辐射机理，为低空飞行器降噪设计提供可工程化的关键依据。

一、研究背景

城市空域对飞行器噪声提出严苛约束，传统单旋翼/常规共轴旋翼在噪声控制上逼近极限。

同轴同向旋转旋翼的独特价值：

l 上下旋翼同转向、共轴线，提供轴向间距+方位角间距双重设计变量

l 可通过相位干涉与流场调控实现被动降噪，无需复杂主动控制

l 已有实验证实：方位角间距对噪声量级与频谱特征起决定性作用

本研究以悬停工况为基准，量化不同方位角布局对气动声学特性的影响，为工程选型提供数据支撑。

二、研究对象

研究聚焦悬停状态下两组典型同轴同向双旋翼（APC 18×5.5MR螺旋桨）：

l 旋翼直径：0.457m

l 转速：3000rpm

l 轴向间距：统一2.8cm

l 方位角间距：84°/12°（取自实验数据库，噪声差异极显著）

为建立基准，同步对比两类参照构型：

l 孤立两叶旋翼：同向构型上下旋翼“无限远”极限状态

l 孤立四叶旋翼：同向构型轴向间距为0的极限状态

图1 共旋转式（第一行）和单旋转式（第二行）的转子结构

三、高保真数值方法

本研究采用气动-声学耦合高精度求解框架，保证流场与噪声预测可信度：

1. 流场求解

l 求解器：PowerFLOW（格子玻尔兹曼法LBM）

l 湍流模型：超大涡模拟（VLES）

l 网格策略：叶片前缘、后缘、桨尖区域局部加密，精准捕捉涡结构与边界层

2. 远场噪声预测

l 声学模型：Ffowcs Williams-Hawkings方程+Farassat 1A

l 数据采集：旋翼周围布置3个可渗透圆柱面，采集气动载荷并时间平均，抑制伪噪声

l 声学分析：36通道圆形麦克风阵列，获取完整指向性与频谱

该方法可同时输出非定常流场、表面压力脉动、远场噪声频谱与指向性，实现机理-现象-数据闭环。

图2 计算装置以及麦克风阵列示意图

图3 远场噪声实验和仿真频谱对比

四、核心结果

1. 桨-涡干扰（BVI）机理

l 上部旋翼：桨尖涡被下部旋翼诱导加速下洗，天然无BVI

l 下部旋翼（Δφ=84°）：桨尖涡与叶片保持约0.06R错过距离，无明显干扰

l 下部旋翼（Δφ=12°）：桨尖涡在85%展长处直接撞击叶片，引发强BVI，表面压力大幅周期性脉动

图4 瞬时涡度的等值线图

2. 远场噪声特性

l 总噪声由上下旋翼声波相位干涉主导，时间偏移与方位角间距正相关

l Δφ=84°实现强相消干涉，一阶叶片通过频率（BPF）纯音比12°构型低15dB

l Δφ=84°一阶BPF仍比孤立四叶旋翼高4.5dB；Δφ=12°与孤立两叶旋翼相当（高1.7dB）

l 高阶谐波：Δφ=12°显著抬升（强BVI特征）；Δφ=84°高频分量来自桨尖涡不稳定性

图5 指向性图

图6 远场噪声频谱对比

五、总结

l BVI发生规律：上部旋翼无BVI；下部旋翼BVI由方位角间距唯一主导，小间距激扰、大间距规避。

l 噪声控制核心机制：同轴同向旋翼的纯音噪声由相位干涉主导，合理方位角可实现大幅相消降噪。

l 构型对比启示：最优相消构型（84°）仍相对孤立四叶旋翼存在噪声劣势，提示需轴向/方位角协同优化。

l 工程诊断价值：噪声频谱可作为BVI在线判据，支撑试验与仿真快速迭代。

六、我们的服务

作为达索系统中国区合作伙伴，懿朵科技以振动噪声控制为核心，面向航空航天、无人机、eVTOL提供全链条技术服务：

l 旋翼/螺旋桨气动声学仿真（PowerFLOW全流程）

l 桨‑涡干扰、宽带噪声、纯音噪声机理分析与优化

l 噪声测试、阵列成像、故障诊断与健康管理

l 低噪构型正向设计与适航噪声认证支撑

我们依托LBM/VLES/FW-H高精度方法，助力低空经济装备实现高效-低噪-可靠协同设计。

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