[科普中国]-螺旋桨风洞

简介

空气螺旋桨是把航空发动机的动力转化为飞行器推进力的工具。螺旋桨的发展经历了从兴起到衰落又到兴起的过程。螺旋桨性能的计算和风洞实验是螺旋桨设计和应用的基础，用数值的方法准确地模拟螺旋桨实际应用中各部件对螺旋桨性能的影响对于螺旋桨的设计、实验具有指导作用，对于缩短螺旋桨的设计周期、减少实验研究经费等方面具有非常积极的作用。

面元法是在实际物面上满足边界条件，没有对螺旋桨的几何形状做任何假设，能够更精确地描述螺旋桨的复杂几何形状，其数学模型更加完善。用面元法不仅可以准确地预报螺旋桨的推力和扭矩，而且可以准确地预报螺旋桨表面的压力分布。

赵忠从NF-3风洞实验室中进行螺旋桨的性能测定、带动力模型实验以及声学实验的实际需要出发，根据螺旋桨风洞实验中出现的侧力、声学实验中由于鼻锥自噪声等原因造成实验风速受到限制等现象，利用面元法对单独螺旋桨与整流罩和支撑存在情况下的螺旋桨性能进行了计算，从而得到整流罩和支撑对螺旋桨性能的影响，并和试验结果进行比较得出:在整流罩不绝对改变螺旋桨的绕流特性的情况下使螺旋桨的推力(系数)、功率(系数)增加，而效率减小;支撑除了对螺旋桨的性能有以上影响外还使得螺旋桨产生一个垂直于转轴的侧向力，且此侧向力随螺旋桨工作状态的变化而发生变化。同时，由于螺旋桨声学实验中鼻锥形式对传感器自噪声的影响起主要作用，赵忠对两种形式的鼻锥在高速气流中进行了风洞实验，得到了高风速时具有较低传感器自噪声的鼻锥形式。1

螺旋桨风洞实验气动声学相似准则通常情况下，无论是螺旋桨的气动力特性测量还是噪声特性测量都是用缩尺模型在比较小型的低速风洞中进行。要使缩尺模型实验与真实情况有相关性，即能够预测真实的发射功率、频谱特性、指向性或给定点的最大声压级等，就必须在实验中满足一定的相似准则。

以往发表的研究工作有的偏重于个别实验结果的分析，有的根据量纲分析法归纳有关关系式。近期的工作主要从声源特性和FW-H方程出发分析得出有关相似准则。然而，就目前得到的研究成果应用于实际实验工作中仍有一些不方便的地方，例如：在几何相似和气动力相似以后,对应点的声压级到底关系怎样，目前还没有非常明确的权威结论。

高永卫等从气动方程和声学方程两方面共同考虑,结合螺旋桨气动声学风洞实验研究的特点，推导出几何相似螺旋桨风洞实验中应模拟的相似参数。证明了几何相似的低速螺旋桨在临界雷诺数以上时，保证前进比和对应马赫数相等就可以保证声学相似并推导出相似螺旋桨声压级的换算公式。为实际的实验设计和数据处理工作提供了理论依据。2

建造螺旋桨声学风洞的理论依据螺旋桨的噪声来源于叶片与空气的相对运动。要准确测量螺旋桨的声学特性，就必须首先准确模拟螺旋桨的气动工作状态。理论上讲，在做螺旋桨声学实验时首先必须保证螺旋桨的桨叶角、前进比、雷诺数和马赫数与飞行时一致。所以，在空气动力学方面，要求风洞有适当的马赫数、雷诺数和良好的流场品质。

在声学性能方面，因为要研究降低噪声的方法，就需要知道噪声源的基本情况和噪声传播的规律。具体地说，螺旋桨声学实验要测定螺旋桨发声的声功率级、指向性、近场和远场指定点的声压级等特性。为了要测出这些数据，就需要在风洞中能够达到无反射的自由场，最低量级的背景噪声和远场声测量的足够距离。

对于开口声学风洞来说还有以下几个值得注意的问题:

（1）开口风洞喷管的剪切层引起的声折射和散射。

（2）剪切层的紊流和涡与喷管和收集段的流动振荡问题。

（3）消声室中的回流气流问题。

螺旋桨声学特性风洞实验技术螺旋桨声学实验的目的是校核所使用的噪声预测方法是否准确;确定桨的旋转平面内占主导的噪声源:研究桨叶几何形状对噪声的影响:以及通过模型实验预测真实飞行中实际桨的噪声特性等。

螺旋桨声学实验的基本项目通常有:评定螺旋桨发射的声功率和确定其功率谱或功率谱密度;螺旋桨噪声的指向性，近场特性和远场特性等。实际中根据实验目的和实验条件可以有所选择。

要完成螺旋桨风洞声学实验的基本测试项目一般需要考虑以下几个方面:测点的选择、传感器的选择、数据采集系统(包括:放大器和采集器等)的选择以及采集得到的数据如何进行分析和处理的方法等。3