双叶螺旋桨的压力波动及噪声浅析（下）

 

4．数值仿真计算方法

这里使用ANSYS Workbench 2023 R1创建计算网格，将螺旋桨直径设置为代表长度D，并设置直径为5D、高度为5D的圆柱形区域作为计算域。在螺旋桨外侧设置了自由空间，并将其上、侧、下边界条件全部设置为大气压开放状态，将螺旋桨叶片设置为无滑移壁面。螺旋桨转速分别为40Hz、50Hz、60Hz。测量压力波动的点设置在距离轴心500mm半径方向的位置。为了验证螺旋桨周围的流场，我们在自由空间的计算网格上划分了约503万个，在螺旋桨周围的计算网格上划分了约211万个，总网格点数约为714万个。最小网格尺寸在螺旋桨壁面附近为0.8mm。接着使用商用计算软件ANSYS CFX 2023 R1进行了LES大涡模型数值分析，时间步长为Δt=2.5×10^(-5)。除了叶片通过频率（BPF）成分的噪音外，通过提高翼面附近的网格分辨率，也可以预测到宽带噪音的情况。

对于流体噪声源，定额转速（f=40Hz、50Hz、60Hz）下的风速最大值对应的叶片转速为Vmax=2πRf[m/s]。此时，以叶片外径为基准的雷诺数为4.2×10^5，马赫数为Vmax/c。因此，流体噪声源由二重极声源主导。因此，我们着眼于作用在翼壁上的压力波动，并使用LES预测了由湍流引起的压力波动。

5．实验方法

5.1噪声和声压实验

图4是实验装置的概要图。实验中使用的动力源是Cy-Captain公司生产的无刷电机CR23，螺旋桨为双叶片，使用3D打印机和PLA树脂制作。螺旋桨的直径为150mm，中心半径为7mm。使用直流稳定电源(CUSTOM公司制造的DPS-3003)向控制器(NOVATECH公司制造的N-B608)发送恒定电压信号，以控制电子速度控制器(Hacker Motor GmbH公司制造的X-12Pro)来控制电机的转速。使用分贝仪(由Rion公司制造的NL-42)和麦克风以44100Hz的采样频率录制了螺旋桨噪音。测量位置位于半径方向距离为r=500mm处，用红色的叉号在图4中表示。

Fig. 4. Schematic of experimental equipment.

6．数值分析和实验结果

　图5是CFD和实验测量得到的40Hz、50Hz和60Hz压力波动结果。横轴为时间t（0秒-0.05秒），纵轴为压力P（-0.2Pa-0.2Pa）。红线表示CFD结果，蓝线表示实验结果。从图5可以看到波状的压力波动。图5（a）的周期ΔT为0.0125秒，频率为1/0.0125=80Hz。同样，图5（b）的周期ΔT为0.01秒，频率为1/0.01=100Hz，图5（c）的周期ΔT为0.0081秒，频率为1/0.0082=122Hz。因此，通过本研究可知，普通双螺旋桨噪音主要是由频率（f=旋转速度ω×叶片数B）构成的纯音。

Pressure fluctuation at 40 Hz

Pressure fluctuation at 40 Hz

Pressure fluctuation at 40 Hz

Fig. 5. Pressure fluctuation.

图5(a)，(b)，(c)的频谱图如图6所示。实线是CFD的结果，虚线是实验的结果。蓝色，绿色，红色分别表示40Hz，50Hz，60Hz，横轴表示旋转频率与频率比，纵轴表示声压级。声压级由公式(1)计算得出。从图6可以看出，在所有旋转频率下，都观察到频率比2附近的峰值。旋转频率60Hz的峰值最高，随着旋转频率的降低，峰值高度也减小。在频率比4、6的附近也观察到峰值，表明在本研究中所研究的螺旋桨噪音中，离散频率噪音是主要的。

螺旋桨产生离散频率噪声的主要原因是螺旋桨的旋转引起了空气流动的扰动。在螺旋桨旋转时，高压区和低压区交替出现，这会导致空气的速度和压力的变化。这些速度和压力的变化将导致在螺旋桨前后形成一个高压区和低压区的交替区域，螺旋桨叶片通过空气产生了周期性的压力变化，这些压力变化在周围的空气中形成了压力波。这些压力波随着时间的推移，以与螺旋桨旋转频率相同的频率扩散到周围的空气中，形成了离散频率噪声。

图7是从图5(a)、(b)、(c)的声压计算出的全音压级的结果，声压级的转换方法由公式(1)和(2)得出。不管旋转频率如何，CFD预测的声压值比实验值高约2dB，存在过高评估的趋势。

Fig. 6. FFT spectra of CFD at 10 Hz in Radial position.

Fig.7. SPL at different rotational speeds.

7．结论以及展望

本研究调查了常见的双叶桨压力变化和噪音问题，并确认离散频率噪音占主导地位。此外，还清晰地观察到由旋转速度(f=转速ω×叶片数B)构成的纯音。发现随着转速的增加，纯音的声压级也会增加。将来将研究不同环形桨的声压变化和噪音，以比较其静音性。