【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第八期——eVTOL车用螺旋桨气动噪声仿真分析

学生姓名：吴戈

班      级：车辆2022-04班

指导教师：丁伟

毕设题目：eVTOL车用螺旋桨气动噪声仿真分析

一、概况

1.选题意义

随着低空出行技术的发展，eVTOL在城市交通和应急运输等领域具有广阔应用前景，但其螺旋桨噪声对乘坐舒适性和周围环境都会产生显著影响，关系到适航认证与公众接受度等问题。

本课题旨在针对eVTOL车用螺旋桨的噪声问题，开展基于CFD（计算流体力学）仿真的气动噪声分析，从而为eVTOL螺旋桨构型设计提供噪声仿真评估方法，降低实物试错成本，并进一步给出针对低噪声设计、声伪装等方向的改进建议，助力绿色可持续的低空经济发展，提升公众对新技术的接纳度。

2.任务分解

图1 论文技术路线图

本课题的工作任务包括：

1. 开展eVTOL螺旋桨结构形式与气动噪声分析方法的文献调研，掌握螺旋桨气动噪声的基本原理及数值分析思路。

2. 获取典型车用螺旋桨的三维几何模型，完成流场域的划分与边界条件设定。

3. 使用CFD进行非定常流场计算，结合声学后处理技术（FW-H声类比法、近场声压数据分析）开展噪声分布特性分析

4. 针对不同转速、叶片数等工况参数，分析噪声变化规律并提出减噪设计建议。实现螺旋桨气动噪声仿真的基本流程，开展流场与声场耦合分析。

5. 获得典型螺旋桨的噪声分布特征，理解非定常气动现象与噪声特性的关联，并进行定性分析。

6. 形成完整的建模、仿真与分析报告，并提出可行的噪声优化思路，为eVTOL低噪声设计、声伪装等改进方向提供技术参考。

二、已完成工作

1. eVTOL螺旋桨构型和工况的确定

涵道螺旋桨具有结构紧凑、悬停气动效率高、物理安全性好的优势，涵道壁面对声辐射具有屏蔽效应，能改变声辐射在空间中的传播特性。

本次工作选定NASA Tiltduct（倾转涵道）概念eVTOL的涵道螺旋桨构型作为基准。选取最大起飞重量下的悬停状态作为基准分析工况。全机配置6个涵道螺旋桨，单螺旋桨的目标推力设定为整机重量的六分之一，为5256 N。

图2 基准螺旋桨构型及其衍生构型

为了分析不同螺旋桨构型对气动特性与声学的具体影响，本次工作在使用八叶涵道螺旋桨构型之外，基于该基准构型的参数化模型，衍生出了一组对比构型，包括增减叶片数量的六叶与十叶涵道构型，和去除了涵道的开放式八叶构型。各个螺旋桨构型的气动效率存在差异，为控制变量，需要先通过改变转速将所有构型配平至相同的5256 N目标推力。

表 1 各构型配平后的转速

配平过程采用迭代法，首先使用叶素动量理论（BEMT）给出初始转速预估值，在该转速下执行400步CFD稳态计算以获取稳定推力值，依据螺旋桨气动理论中推力与转速平方成正比（T∝ω2）的规律，计算并修正下一次迭代的转速。经过三次迭代计算，各构型的推力均接近目标值，误差小于5%.

2. 声学数值计算方法的选取

常规开放式螺旋桨的噪声计算通常采用不可渗透面（固体表面）FW-H积分法，直接提取桨叶表面的压力波动。但这套方法不适用涵道构型，因为涵道壁面对声波传播路径会产生反射与衍射，影响声传播路径。若不在传播路径上填充流体介质，便无法解析涵道的屏蔽效应。

本次工作改用包络声源区域的可渗透面法。在可渗透面内部填充细密网格，利用CFD流场直接解析声波从桨叶向外传播的过程，随后采集约8.4万个可渗透面面元上的瞬态压力波动数据，以绘制近场声压级云图与指向性分布图。

3. 流场网格划分和CFD计算

图 3 流场网格划分

本次工作采用分层次的网格划分策略，以在物理解析精度与计算成本之间取得平衡。流场的空间填充选择了多面体-六面体核心（Poly-hexcore）网格，在壁面采用多面体网格来准确贴合几何形状，同时，在远离壁面的流体区使用纯六面体网格进行填充。相比起纯四面体网格，Poly-hexcore网格填充同等体积的流场所用的网格数量更少，空间利用率更高。

在远离发声区域的外围远场，空间网格最大尺寸放宽至0.2米，以减少网格总量。当空间向内过渡到涵道内部的流体域时，网格基础尺寸缩小至40毫米，在桨叶壁面处加密为10毫米，叶尖处加密为5毫米，以准确解析桨叶和叶尖间隙的复杂流场。划分后，流场网格数量约1150万。

求解器设置为尺度自适应模拟（SAS）湍流模型，以解析螺旋桨非定常流场中的复杂涡流和湍流现象，旋转域采用滑移网格法。计算时，从配平推力建立的稳态算例转为瞬态计算，设定时间步长为0.2ms，首先进行500步的瞬态预热计算，随后进行1000步的声学采集，声学信号总时长为0.2s。

4. 各构型的噪声结果提取和初步分析结论

在提取所有构型的可渗透面上1000个时间步的流场数据后，对各构型的声压分布与物理流场特征进行了横向对比。

图 4 涵道构型的OASPL指向性分布对比

分析结果发现，六叶构型由于叶片数量少，单叶载荷偏高，加之配平推力所需的转速偏高，导致声压级整体高于八叶构型。

图 5 十叶涵道构型叶片和叶尖区域的Q准则等值面

十叶构型在正轴向产生了高达123.4 dBA的声辐射。结合Q准则等值面图分析，十叶构型的桨叶间距过小，叶尖产生的涡流未充分耗散，就被后序叶片击中，这种桨涡干涉现象（BVI）激发出强烈的声辐射。

图 6 两种八叶构型的OASPL指向性分布对比

针对同为八个叶片的涵道与开放式构型进行声辐射特征对比，开放式构型的总声压峰值出现在接近正侧面（87°），高达120.9 dBA。与之相对，八叶涵道构型在正侧面（90°）的声压级仅为94.9 dBA。

但在轴向（0°）方向，涵道构型（106.3 dBA）的噪声比开放式构型（95.2 dBA）高出11.1 dB。声压级分布表明，涵道结构改变了螺旋桨原本的声压指向性，使得侧向总声压级更低，但通过唇口散射作用将部分被截止的声能重新分配到了轴向。

图 7 两种八叶构型的压力时间导数云图对比

三、下一步工作计划

1.进一步解释各参数对气动效率及噪声特性的影响规律。

2.结合相关eVTOL螺旋桨气动声学研究，解释不同声学数值计算方法中的数值特性差异带来的影响。

3.给出减噪优化设计、声伪装设计的建议。

4.汇总所有仿真数据，完成学位论文初稿的撰写并提交修改。

问题一：对螺旋桨建模时，涵道和桨叶的翼型和扭转角等参数是如何确定的？

回答：已经参照了NASA的Tiltduct概念设计的OpenVSP公开模型当中的相关参数。

问题二：如果后续要进行优化设计或者提出优化建议，会怎么去考虑螺旋桨翼型、涵道几何构型中的细分参数的影响？

回答：首先会进一步挖掘NASA的原始Tiltduct概念设计相关文献，分析当中有关翼型参数选择，和气动效率和噪声估算部分中对构型参数的考量。其次会结合当前工作中的已发现的参数影响，如NASA原始设计中的叶尖间隙偏大，对气动效率有一定影响。另外，也会进一步拓展阅读涵道气动效率和气动噪声分析的相关文献。

从11月初正式接手eVTOL气动噪声研究这一毕设题目以来，我始终以认真的态度投入每一项研究工作，历经数月的摸索、试错与突破，顺利完成中期阶段的任务，并获得中期检查优秀案例的认可。这段科研历程不仅让我在专业能力上实现了质的提升，更在科研思维、问题解决和学术认知上收获了宝贵的成长，每一次踩坑与突破，都成为我通往学术探索之路的坚实基石。

专业实践能力的锤炼，是这段中期研究最直接的收获。初期，我迅速投入实操，第一周便获取无人机螺旋桨模型，开启了划网格、跑CFD的高强度研究。起初，我深陷Fluent仿真不收敛的困境，看着教程中顺利得出的结果，自己的仿真却反复发散，内心满是焦急与挫败。但我没有轻言放弃，而是逐一步骤排查参数设置、网格质量等问题，在反复调试中摸清了Fluent仿真的核心要点。随后，Actran的iCFD输入难题再次接踵而至，面对这一阻碍，我没有盲目尝试，而是沉下心系统学习气动声学原理，结合参考资料中FW-H法的应用规范，果断调整研究方法，采用Fluent内置的不可渗透FW-H法计算螺旋桨噪声，最终成功获得了首幅SPL谱图。这份成果不仅是对我前期努力的肯定，更让我深刻体会到，专业实践不能急于求成，唯有扎实掌握理论基础，才能灵活应对实操中的各类难题。

科研思维的系统化与严谨性，在中期研究中得到了不断打磨。获得首个成果后，我并未停滞不前，而是在开题报告撰写过程中，“兵分四路”去收集文献，分别聚焦eVTOL螺旋桨气动噪声仿真案例、格子玻尔兹曼法等新兴数值方法、NASA螺旋桨构型及Joby S4等真实eVTOL机型实验数据，以及eVTOL螺旋桨与涵道螺旋桨的优化设计分析。这种全面、系统的文献搜集方式，让我清晰把握了该领域的研究现状、前沿动态与核心难点，为后续研究方向的调整奠定了坚实基础。开题答辩后，通过评委老师的指导和自身的深入思考，我意识到开放式螺旋桨先进构型存在减噪效果有限、易与气动效率产生取舍的问题，进而果断转向NASA Tiltduct涵道螺旋桨设计——这一调整让我深刻认识到，科研不是一条道走到黑，而是需要根据研究实际及时优化方向，保持批判性思维和灵活调整的能力。

在研究的深化过程中，我进一步实现了研究方法的创新与优化。春节前，凭借对Fluent数值方法的深入理解和软件操作的熟练掌握，我顺利完成了Tiltduct螺旋桨构型的试算工作。进入三月份，我重点投入仿真方法的调校，针对手动设置CFD仿真繁琐、易出错、不统一的问题，搭建了程序化、自动化的网格划分与仿真计算流程，大幅提升了研究效率和结果的准确性。在声学数据后处理阶段，我再次面临可渗透面FW-H法的应用难题：尾流穿过FW-H面会产生伪声，下游面开口又会导致积分面不闭合。结合FW-H法的两种应用类型特点，我尝试调整分析思路，从远场分析转向可渗透面近场分析，成功规避了面积分的问题，进一步完善了仿真流程。这些突破让我深刻体会到，科研的核心在于不断探索与创新，唯有主动思考、勇于尝试，才能攻克交叉领域的复杂难题。

这段中期研究历程，更让我对CFD与CAA交叉领域的科研工作有了更为深刻的认知，也收获了宝贵的精神成长。我深知，CFD和CAA交叉领域计算成本高昂，数值计算的稳定性、精度等问题错综复杂，研究道路布满荆棘。CFD领域顶尖专家菲利普·斯帕拉特曾预测，用CFD解析流场中从最大尺寸到最小耗散尺度的工程应用要到2080年才能实现，但在如今，大规模GPU并行计算、DES等方法已彻底改变工业CFD的格局。正如人类意识到天空即为极限，便不会停止翱翔的尝试。这些案例始终激励着我，让我明白科研之路没有捷径，唯有脚踏实地、持之以恒，才能在探索中突破边界。从最初的手足无措到如今的从容应对，从盲目尝试到精准施策，每一次困难的克服，都让我更加坚定了科研信念，也培养了自己吃苦耐劳、坚韧不拔的品质。

中期检查优秀案例的认可，是对我前期工作的肯定，更是对后续研究的激励。这段经历让我清晰地认识到，毕设研究不仅是对专业知识的综合运用，更是对科研能力、思维方式和个人品质的全面锤炼。未来，我将带着中期阶段的收获与感悟，继续深耕eVTOL气动噪声研究，针对已发现的问题进一步优化仿真方法、完善研究内容，弥补自身不足，努力完成一份高质量的毕设成果。同时，我也将把这段科研历程中收获的能力与经验，运用到未来的学习和工作中，保持对学术探索的热情，勇于挑战、勇于突破，在前沿领域的探索之路中稳步前行。