《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Large eddy simulation of propeller–ground interaction effects on unsteady wake characteristics
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由于微传感器、控制理论和分布式电子推进系统的发展，城市空中交通（UAM）飞行器已在广泛的航空航天和工程应用中得到日益广泛的应用。在这些应用中，旋翼式UAM因其垂直起降（VTOL）能力而备受关注，使其能够在受限环境中悬停和机动而无需长跑道。然而，旋翼尾流的气动行
由于微传感器、控制理论和分布式电子推进系统的发展，城市空中交通（UAM）飞行器已在广泛的航空航天和工程应用中得到日益广泛的应用。在这些应用中，旋翼式UAM因其垂直起降（VTOL）能力而备受关注，使其能够在受限环境中悬停和机动而无需长跑道。然而，旋翼尾流的气动行为对飞行器性能、稳定性、声学辐射和运行安全起着决定性作用。旋翼机UAM面临的一个主要挑战是旋翼尾流与地面之间的复杂相互作用，即地面效应（GE）。该现象显著影响气动性能和声学辐射，特别是在人口密集或城市环境中的起飞、着陆和低空作业期间。地面效应通常分为两个不同的区域：地面效应区（IGE）和地面效应外区（OGE）。IGE发生在螺旋桨靠近地面运行时，通常高度小于一个旋翼半径，而OGE对应距地面距离足够大（通常超过一个或两个旋翼半径）的情况。在IGE条件下，叶尖涡几乎直接撞击地面，随后由于地面阻塞效应在旋翼下方径向向外扩展。这种相互作用通常会相对自由飞行条件增加推力和扭矩，同时增强噪声产生。尽管已有若干研究探讨了旋翼-地面距离对螺旋桨气动和声学行为的影响，但大多数研究依赖于实验方法或低精度CFD方法（如RANS），通常结合声类比技术。虽然RANS能以合理精度预测平均流场量，但其在解析瞬态相干结构、涡动力学以及控制IGE区域流动物理的旋翼-尾流-地面相互作用方面存在固有局限。大涡模拟（LES）已展现出预测涡轮机械应用中流动特性的强大潜力。此外，现有文献中大多数研究局限于悬停或前飞条件下的UAM。然而，在下降飞行过程中，叶尖涡与地面之间的相互作用变得显著，导致强流动非定常性和增加的噪声产生。据研究人员所知，尚无研究将高保真LES与实验验证相结合，系统性地研究旋翼-地面相互作用对螺旋桨尾流演化的影响。本研究采用数值与实验相结合的方法研究地面效应对旋翼尾流空气动力学和气动声学的影响。主要目标是考察螺旋桨-地面距离对尾流湍流的影响，并评估其对远场声辐射的影响。因此，为解析瞬态流动特征和叶尖涡与地面之间的相互作用，使用Simcenter STAR-CCM+ V2302进行了三维可压缩非定常LES模拟。旋翼模型为两叶螺旋桨，也在布里斯托大学气动声学设施中进行了实验测试。实验测量包括稳态地面表面压力和远场声学信号。考虑了四种旋翼间隙比（??/?? = 0.3、1、2和3），其中??为旋翼高度，??为螺旋桨半径。将不同??/??配置下的时均地面压力系数与实验数据进行比较，验证了数值结果。研究聚焦于叶尖涡的演化、其与尾流的相互作用以及由此产生的地面诱导流动修正。结果表明，旋翼-地面距离、叶尖涡动力学、尾流不稳定性、表面压力波动和远场声压级之间存在清晰耦合。结果证明，LES框架在不同??/??比下对旋翼尾流及其撞击地面的湍流结构和流动物理提供了有前景的预测。进一步观察到，旋翼-地面相互作用在调节尾流非定常性、重新分配地面压力载荷以及改变远场声学特征方面起着关键作用。
论文解读：螺旋桨-地面相互作用对大涡模拟尾流非定常特性的影响
一、研究背景与问题
随着微传感器、控制理论和分布式电推进系统的发展，城市空中交通（UAM）飞行器在航空航天和工程领域得到日益广泛的应用。旋翼式UAM因其垂直起降能力而备受关注，能够在受限环境中悬停和机动。然而，旋翼尾流的气动行为对飞行器性能、稳定性、声学辐射和运行安全具有决定性影响。当螺旋桨接近地面运行时，尾流与地面之间产生复杂的气动干扰现象，即地面效应（Ground Effect, GE）。该现象显著影响气动性能和声学辐射，尤其在城市环境中的起飞、着陆和低空作业期间。地面效应可分为两个区域：地面效应区（IGE）和地面效应外区（OGE），其划分通常以旋翼半径作为特征尺度。在IGE条件下，叶尖涡直接撞击地面并径向向外扩展，增加推力和扭矩的同时也增强噪声产生。尽管已有大量研究探讨了旋翼-地面距离的影响，但多数工作依赖实验或低精度CFD方法，难以解析瞬态相干结构和涡动力学。现有研究多局限于悬停或前飞状态，对下降飞行中旋翼-地面相互作用的非定常机制尚缺乏系统认识。因此，该研究采用高保真LES结合实验验证，系统考察了不同间隙比下螺旋桨尾流演化特性。
二、研究方法
研究人员采用三维可压缩非定常大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法，利用Simcenter STAR-CCM+ V2302软件对直径12英寸、转速12000 rpm的两叶Mejzlik螺旋桨进行了数值模拟。计算域包括旋转域和静止域，共约1600万多面体网格单元。亚网格尺度（SGS）模型选用WALE模型，采用滑移网格方法进行瞬态计算，时间步长对应1度旋翼转角。实验在布里斯托大学气动声学设施进行，测量了地面稳态压力和远场声学信号，采用Chell MicroDaq-32压力扫描器和G.R.A.S. 40PL传声器阵列（23通道）。研究人员考虑了四种无量纲间隙比（??/?? = 0.3、1、2和3），通过与实验数据的对比验证了数值方法的准确性。
三、研究结果
3.1 数值验证
研究人员通过三种网格分辨率（800万、1600万和3000万单元）的对比，验证了中等网格分辨率即可达到网格收敛。在??/?? = 1条件下，中等网格和精细网格在压力系数分布及推力和扭矩系数上的差异约为1%，验证了计算结果的可靠性。
3.2 地面距离对螺旋桨尾流特性的影响
LES结果与实验测量均表明，增大间隙比???/??会降低峰值地面压力系数，同时使压力分布曲线展宽。在??/?? = 1时，压力系数呈现相对平坦的峰值区域，反映了下洗流和上洗流之间较为平衡的相互作用。Q准则等值面分析显示，叶尖涡在叶片尖端生成并向下传播，撞击地面后径向偏转。在低间隙比下可观察到发卡状涡结构沿涡丝排列。
3.3 近场流动特征
当螺旋桨靠近地面运行时，旋翼下方形成明显的高压区即气垫效应。在??/?? = 0.3时，该高压区向上延伸直接与叶片相互作用，增大叶片压力面和吸力面的压差，从而增加推力。随着间隙增加，下洗射流由柱状结构向锥形结构转变，两个反向旋转涡对在旋翼下方形成并逐渐扩大。在??/?? = 0.3、2和3时，地面压力呈现环形高压分布，而??/?? = 1时压力分布几乎均匀。叶尖涡起始形成位置随间隙增大逐渐向叶片根部方向移动，从??/?? ≈ ±1.02（??/?? = 0.3）移至??/?? ≈ ±0.73（??/?? = 3）。
3.4 时间序列分析
在完整旋翼周期内，叶尖涡周期性生成并发展成连续涡面结构。低间隙比下叶尖涡保持较强且集中于地面附近，径向传播主导；高间隙比下涡旋在撞击地面前有更充分的发展空间，保持相干性距离更远。在旋翼下方的低速区域，当间隙增大时该区域径向扩展，同时流动非定常性增强，速度波的周期性减弱并出现更不规则的混沌行为。
3.5 频谱分析
近场压力脉动功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）显示，LES计算捕捉到基频为400 Hz的叶尖通过频率（Blade Passing Frequency, BPF）及其高次谐波。低间隙比下频谱包含更多谐波分量，表明更强的尾流-地面相互作用。远场声学测量表明，地面效应显著增大总体声压级（Overall Sound Pressure Level, OSPL）。在??/?? = 0.3时，反射区OSPL增加约9 dB（?? = 120°处）。随着间隙增大，OSPL逐渐接近孤立螺旋桨情况，但在??/?? = 3时仍存在可观测的噪声放大。首阶BPF声压级指向性显示，最大放大约14 dB出现在??/?? = 0.3时的?? ≈ 125°处。
四、讨论与结论
研究结果表明，旋翼-地面间隙对尾流非定常特性和气动声学行为具有显著影响。低间隙比下推进效率提高伴随功率需求增加，存在性能增益和效率损失的权衡。声学分析揭示了窄带音调噪声和宽带噪声的联合贡献，两种机制在旋翼下半空间均较强，地面作为声反射面使反射区域内观测者感受到最大的噪声增加效应。该研究为理解旋翼地面相互作用机制、优化UAM飞行器近地运行性能提供了重要参考。研究局限性在于仅考察了特定旋翼几何、转速和悬停状态，后续需考虑不同设计参数和飞行状态以验证发现的普适性。
