ヘリコプタロータの翼端噴射に関する数値解析:第2部回転翼のブレード/渦干渉騒音

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ブレード/渦干渉(Blade-Vortex Interaction: BVI)騒音は、先行するメイン・ロータのブレードが吐き出した翼端渦が後続ブレードの翼端付近を通過する時に起こる弱い干渉、あるいは先行ブレードの翼端渦を後続ブレードが切る時に起こる強い干渉によって、ブレードの空力荷重が急激に変動することから発生する。この騒音は、特に前進方向の下方に指向性を持ち、主にヘリコプタが着陸する際に発生するため、付近の住民に与える影響が大きく、都市部におけるヘリポート設置の妨げとなっている。BVI 騒音の低減法としては、翼型や翼端形状を工夫する受動的なものから、高調波制御、アクティブ・フラップ、翼端噴射などの能動的なものまで、様々な方法が提案されている。航空宇宙技術研究所(NAL)と韓国の浦項工科大学校(POSTECH)は、能動的なBVI 騒音低減法の中で、特に翼端噴射に着目して、その低減効果をCFD で解析することを目的に、共同研究を行った。この翼端噴射とは、ヘリコプタ・ブレードの翼端から半径方向外向きにジェットを噴き出すことで、翼端渦の位置や構造を変化(渦の循環を弱めたりコア半径を大きくする)させ、BVI 騒音を低減しようとする技術である。本研究では、まず、単一格子を用いて固定ブレードの翼端噴射が翼端渦の挙動に及ぼす影響をEuler/Navier-Stokes コードで解析した。続いて、移動重合格子法を用いた3次元非定常Euler コードとFfowcs Williams and Hawkings(FW-H)の式に基づく空力音響コードを組み合わせた計算法によって、回転場での翼端噴射の騒音低減効果を解析した。本報告は、後者の回転場での解析結果について述べるものである。ここで用いた方法が、実験値との比較を通して、BVI 騒音の特徴であるピーキーな音圧波形をよく予測することが示されたので、翼端噴射のBVI 騒音低減効果を解析する方法として適切であることが確認された。移動重合格子法の計算に用いた格子は3種類(ブレード格子、内側背景格子、外側背景格子)である。ブレード格子は、ブレード1本の周りを覆い、ブレードと共に回転運動を行う物体適合格子であり、背景格子はブレードから放出された翼端渦を捉えるための直交格子である。ここでも、固定ブレードの計算で検討した翼端噴射速度、噴射方向、噴射口面積をパラメトリックに変化させて翼端渦の挙動に及ぼす影響を解析した。結果として、翼端噴射では、噴射方向が騒音に及ぼす影響は小さく、噴射量と噴射速度を大きくすることが騒音低減に有効であり、最大2.55dB の低減効果が確認できた。
宇宙航空研究開発機構の論文

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