通过数值模拟、分析方法和实验活动对螺旋桨噪声预测的准确性评估

《Aerospace Science and Technology》：Accuracy assessment of noise prediction of propellers via numerical simulation, analytical methods, and experimental campaigns

　　

本研究聚焦于评估数值预测和实验活动在提供孤立基准螺旋桨气动特性和声学发射方面的准确性。研究人员使用一个基准模型低雷诺数螺旋桨（89,000叶尖雷诺数）进行实验活动，该螺旋桨直径为0.3米，在高转速下运行，相当于叶尖马赫数（Mt）为0.37，前进比（J）为0.4。测量在消声A-Tunnel（A-Tunnel）中进行，这是一个由消声室封闭的开放式试验段风洞。使用商业软件PowerFLOW进行模拟，旨在复现螺旋桨几何和条件。还进行了基于BEMT（Blade Element Momentum Theory，叶素动量理论）的噪声估计，并用作讨论的参考结果。该研究侧重于评估实验活动的不确定性，以及数值和分析预测的当前准确性，从而全面描绘在类似设置中预测和实验螺旋桨噪声时预期的差异以及潜在误差来源。结果指出了三种方法在评估整体噪声发射方面的准确性。这得益于对螺旋桨积分气动载荷和噪声特征中占主导地位的第一音调分量的精确描述。同样，从这些方法获得的速度场比较良好。然而，对音调发射的高次谐波和宽带噪声水平的精确描述和测量仍然缺乏，表明需要改进实验和数值方法，以便在方法之间进行准确的交叉验证。

**论文解读文章**

**研究背景、现存问题与研究动机**
随着城市空中交通（UAM）和无人机（UAV）在末端物流及载人运输中的应用日益临近，螺旋桨噪声已成为制约其商业化部署的关键因素。螺旋桨噪声由音调分量（以叶片通过频率BPF_b的谐波为主）和宽带分量（源自湍流边界层尾缘噪声、湍流撞击噪声等）组成。在低雷诺数（Re_t）和低叶尖马赫数（M_t）运行条件下，宽带噪声和高次BPF谐波的重要性和感知权重显著上升。然而，现有数值模拟、分析模型（如BEMT）与实验测量之间的噪声预测一致性尚不充分，尤其在高次谐波和宽带噪声方面误差较大（可达5 dB以上）。因此，本研究旨在系统评估三种独立方法——实验、数值模拟（LB/VLES）和BEMT分析模型——在预测孤立螺旋桨噪声时的当前精度，明确各方法的不确定性来源与偏差模式，为未来的跨验证和方法改进提供基准。论文发表于《Aerospace Science and Technology》。

**主要关键技术与方法**
研究人员采用盲测（blind test）设计，对同一基准螺旋桨（APC 9×6，直径0.3 m，NACA 4412翼型）在相同工况（RPM=8000，U_∞=16 m/s，J=0.4，M_t=0.37，Re_t=89,000）下独立开展以下研究：
1. **实验方法**：在代尔夫特理工大学A-Tunnel消声风洞（开放式试验段，消声室截止频率150 Hz）中进行。使用六分量测力单元获取推力与扭矩，基于PIV（粒子图像测速）获取轴向和径向时均及相位平均流场，并采用7麦克风圆弧阵列（距螺旋桨中心1 m，方位角?从-20°至40°）采集声学信号（采样率102.4 kHz，时长30 s）。
2. **数值模拟**：采用基于格子玻尔兹曼/超大涡模拟方法（LB/VLES）的商用软件PowerFLOW。计算域为半径325D的球体，使用16个可变分辨率（VR）区域，最小体素尺寸0.0571 mm（平均y⁺小于10）。噪声评估基于时域Ffowcs-Williams & Hawkings（FWH）方法（Farassat’s 1A公式），采样频率185 kHz，累计模拟50转。
3. **分析模型**：采用基于BEMT的噪声估计软件opty-dB pnoise。气动力分布通过势流求解器耦合边界层模型获得，音调噪声由移动紧凑偶极子（载荷噪声）和单极子（厚度噪声）描述，宽带噪声采用Schlinker壁面压力谱模型。

**研究结果**

**6.1 气动比较（Aerodynamic comparisons）**
通过对比推力、扭矩、功率及相应的系数（C_t、C_p），发现三种方法在螺旋桨整体气动性能上高度一致：最大推力偏差小于0.1 N（低于推力系数的5%）。实验测得的扭矩和功率比BEMT预测低约5%，可能与BEMT中转换预测的N因子阈值及数值模拟中湍流强度设定有关。时均与相位平均流场对比显示，数值模拟与PIV测量的轴向速度（U）和径向速度（V_r）偏差基本低于5%自由来流速度，流管收缩在实验中略强。涡量场上，实验的涡核位置略向内和下游偏移，与推力偏高的趋势一致，可能与未考虑再循环和风洞射流边界等因素有关。该部分结论指出：三种方法均能准确表征螺旋桨气动场，偏差不超过5%，为声学比较提供了等效的流动基础。

**6.2 音调噪声比较（Comparisons of tonal noise）**
从整体声压级（OSPL）看，三种方法在?=0°时偏差小于1.5 dB（BEMT、数值、实验分别为83.4、84.7、84.6 dB）。频谱分析显示，对于第1阶BPF谐波，实验测得的音调比BEMT预测高0.2 dB、比数值模拟高0.3 dB，精度在1 dB以内。但随着谐波次数增加，误差迅速增大：第2阶谐波实验中比BEMT高2.7 dB、比数值高1.5 dB；第3、6、7阶谐波明显受电机及试验台背景噪声污染。相位平均压力时间历程表明，三种方法在平均信号上基本吻合，但实验存在约0.2 Pa的负压峰值偏差。方向性分析（?=-20°至40°）指出，前2-3阶BPF谐波的方向性模式被三种方法一致捕捉（BEMT在向上游方向略低），但第4阶以上谐波出现显著分歧：BEMT预测在螺旋桨平面（?≈0°）音调更高，而数值模拟显示沿轴向（?≈40°）更高，暗示不同方法中推力噪声与扭矩噪声的相对贡献存在差异。总体而言，第1阶BPF谐波误差在±1.7 dB内，第2、3阶误差增至约3 dB，而更高次谐波（≥5阶）误差超过6 dB且无一致模式。

**6.3 宽带噪声比较（Comparisons of broadband noise）**
通过Vold-Kalman滤波（2阶，带宽20 Hz）分离宽带信号。在低频率（<1 kHz）下，实验数据因背景噪声而远超预测值，三种方法无明显一致性。在2 kHz以上频率，BEMT、数值与实验的功率谱密度（PSD）和方向性呈现合理的一致：最好一致性出现在?=0°（偏差<5 dB），而?=40°时实验偏低、数值偏高。数值模拟在>10 kHz频率下显示出能量不减的特征，可能与层流转捩预测或层流分离泡分辨率不足有关。方向性分析（倍频程带）表明，所有方法在大部分频带呈现偶极子模式（螺旋桨平面噪声最低），验证了湍流边界层尾缘噪声的主导地位。宽带噪声整体偏差小于5 dB，远小于高次音调噪声的偏差，说明宽带噪声的预测一致性相对更好。

**总结讨论与结论翻译**
本研究通过盲测程序，系统比较了实验、数值模拟（LB/VLES-FWH）和BEMT分析方法在孤立螺旋桨噪声预测中的准确性。音调噪声方面，三种方法在描述前两阶BPF谐波时精度在3 dB以内且与实验极限相当，但更高阶谐波（≥3阶）的差异显著增大（可达10 dB以上），且方向性模式出现反向，表明不同方法对载荷分布和紧凑偶极子假设的敏感度不同。宽带噪声方面，在2 kHz以上频率一致性较好（偏差<5 dB），但数值模拟在高频略有高估，分析模型则依赖于壁面压力谱模型的选择。实验中的电机与试验台噪声是导致高次谐波偏差的主要原因之一。结论部分翻译如下：

“本工作专注于比较孤立螺旋桨的噪声分量。开展了专门的实验活动、等效的数值模拟和分析预测，遵循盲测程序。重点考察了在特定转速和前进比条件下，目前可达到的叶片通过频率高次谐波和宽带源的预测精度。讨论了测量音调螺旋桨噪声时产生的实验不确定性、数值技术的精度以及差异来源。结果展示了三种方法在描述前两个BPF音调分量上的准确性，精度在3 dB以内且与实验限制相当。然而，随着更高谐波的加入，差异显著增大。宽带信号通过Vold-Kalman滤波分离后，在最高频率范围（高于2000 Hz）内，分析、数值和实验方法呈现出良好的一致性。结论强调，需要更精确的建模条件描述、物理源模型以及精细设计的实验技术（尤其是抑制背景和支架噪声），以实现对低雷诺数、低转速螺旋桨噪声中高次谐波与宽带成分的可靠预测与交叉验证。”