[发明专利]一种无人机螺旋桨气动噪声数值模拟方法

说明书

本发明公开一种无人机螺旋桨气动噪声数值模拟方法。该方法包括：针对无人机螺旋桨模型，根据网格量大小划分网格，并在螺旋桨模型添加边界层，得到计算网格文件；读取计算网格文件，建立螺旋桨流场控制方程、确立初始条件及边界条件、控制方程的离散、离散后的初始条件和边界条件、设定求解控制参数；对计算区域分解，使用开源流体动力学计算软件并行计算，获得流场数据；将螺旋桨叶片表面离散化处理，在声场计算程序导入流场数据，通过积分法计算观测点声压，且并行计算螺旋桨叶片不同声源处到观测点处同一时刻声压；对观测点声压的时域变化，通过傅立叶变换转成频域变化并进行后处理，以分析噪声。本发明计算过程简洁，且提高了计算效率。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，更具体地，涉及一种无人机螺旋桨气动噪声数值模拟方法。

背景技术

随着无人机类飞行器变得越来越普遍，新颖的垂直起降飞行器市场，包括用于包裹递送、成像和监视等应用的无人机发展迅速。而且许多商用无人机已经实现了稳定的悬停和机动飞行，并有望在各种领域中使用。考虑到在城市或一些特别地区使用无人机，其高水平噪声可能是一个很严重的问题，所以控制由此类飞行器产生和传播的气动噪声至关重要。最小化噪声排放是设计飞行器过程中不可或缺的一部分，必须从一开始就加以考虑，以免出现昂贵的重新设计问题。对于旋翼类飞行器制造业而言，声学舒适度是一个很重要的问题，而通过风洞实验获得噪声数据不仅耗时长而且成本高，因此，快速高效的数值工具的开发是机身部件从设计时预防并减少噪声的关键。由于理论分析的能力有限，成本高昂且实验研究时间长，因此数值模拟已成为各种工业应用的有效替代工具。

在设计研发无人机的螺旋桨时，除了考虑它的气动性能意外，还会同时考虑其运行时的噪声水平。在现有技术中，对于螺旋桨的气动噪声数值计算，均采用计算气动声学的方法。计算气动声学(computational aeroacoustics，CAA)是对噪声的完整计算机模拟，它包括两方面的内容，即首先通过计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)方法来寻找流动声源，然后通过CAA方法来计算噪声的传播。前者属于CFD流场模拟，后者则是声学模拟。

目前，计算气动声学主要有三种数值分析方法：一是DNS(Direct NumericalSimulation)直接计算方法，在流体计算中加上声音的波动算子方程来直接求解声学部分。这种方法常用在简单的管道内气动噪声、喷流噪声以及腔体噪声的计算，但在工程上较少应用。二是混合方法，即将声源计算和声学传播计算分开，先由CFD分析计算瞬态流场，由此从非稳态流场中求解等效声源，并进行声传播计算，其中声传播计算有两类方法，一类是积分方法，另一类是声类比方法。三是半经验方法，其用CFD中的一些性能特性，如湍动能、湍动能的耗散率等来重构一个声源，再用公式计算气动噪声。

随着计算机算力的发展，利用CFD技术解决工程实际问题可以显著降低研制成本和周期，对计算气动声学也带来了新的发展，对新外形的无人机螺旋桨的设计和研发有着极为重要的意义。但现有大多数值模拟方法具有如下缺点：依赖商业软件实现，由于商业软件并不开源，所以对于计算过程中出现的问题或者错误不得而知，也不能对算法进行及时优化或更改；计算速度慢，对于复杂的螺旋桨外形，不管流场的计算还是声学的计算都要求大量密集的计算，而如此多的计算量非常耗时。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种无人机螺旋桨气动噪声数值模拟方法。该方法包括以下步骤：

针对所建立的无人机螺旋桨模型，根据所需的网格量大小划分网格，并在螺旋桨模型附近添加边界层，以计算流场结果，进而得到整个计算网格文件；

读取所述计算网格文件，并建立螺旋桨流场的控制方程、确立初始条件及边界条件、控制该方程的离散、离散后的初始条件和边界条件、设定求解控制参数；

对计算区域进行分解，使用开源流体动力学计算软件进行并行计算，获得流场数据并保存，其中所述流场数据包括计算周期内各时间步螺旋桨流场中各处的速度和压力；