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《军事科学院》 2019年
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基于三维声源模型的风扇/压气机宽频噪声快速预测方法研究

杨野  
【摘要】:对于现代高性能涡扇发动机,风扇/压气机宽频噪声对于航空发动机总噪声的贡献越来越大,严重时会造成噪声污染、威胁发动机的结构安全。目前,若用计算气动声学方法去解决航空发动机复杂内流的声学问题,需要庞大的计算资源与时间成本,因此建立风扇/压气机噪声高效快速预测方法,对获得风扇/压气机气动噪声数据、厘清噪声产生机理和传播规律,为发动机叶片声学设计提供准确输入条件非常关键。要研究风扇宽频噪声的快速预测方法,首先需要根据其产生机理建立声源的解析模型。风扇宽频噪声主要来自于转子尾迹中的湍流脉动与静子叶片的相互作用,在静子表面产生的非定常压力差使得管道内部形成了声场。基于这种认识,本文利用三维升力面理论和湍流谱理论推导了三维风扇宽频噪声源模型。在真实发动机环境中,管道中的声源会与声传播相互作用,常规计算方法难以对其进行统一考虑,但传递单元方法能将其都转化为模态波在边界上的匹配问题,进而联立求解声场。基于上述思想,本文发展了能够考虑声源与声传播相互作用的三维风扇宽频噪声快速预测程序。通过对噪声预测程序输入中的几何参数、主流参数和湍流参数分别进行参数化研究,探究了9个主要输入变量对宽频噪声预测结果的影响规律。发现由于声波向上游、下游传播的固有特性,后传声功率级普遍大于前传声功率级,基本不受参数变化的影响。核函数和上洗速度谱是噪声预测的关键,这9个参数均会通过这两个因素来影响噪声预测结果,只是影响规律各有不同。参数中马赫数的变化会使声功率级有非常大的幅值变化。湍流参数对于宽频噪声的影响最为直接,4个湍流参数中背景湍流强度的影响最大。噪声预测程序还缺少转子尾迹作为输入,为进一步求解由于风扇干涉产生的管道内声场中声压分布情况,利用CFD方法计算了TA36单级风扇转静干涉流场,通过与试验测得的特性线图对比,验证流场结果可靠后,对转子尾迹中湍流脉动信息进行建模处理。在这个利用CFD方法得到转子尾迹的过程中,发现湍动能可能会出现耗散过大而迅速衰减的情况,主要原因是轴向网格过于稀疏以及部分求解参数的设置存在问题。根据TA36试验台4个不同转速的工作状态,本文利用CFD尾迹作为输入对其进行了宽频噪声的预测,讨论了湍流模型和进口湍动能的影响,当进口湍动能较小时,不同的湍流模型对宽频噪声预测结果的影响很小。当进口湍动能较大时,用SST模型求解得到的声场声压级比用k-?模型求解得到的声场声压级整体大5dB左右。通过对比利用两种湍流模型计算得到的湍流参数和噪声预测结果之间的关系,发现SST模型更加符合参数化研究得到的规律。另外,在涉及多个湍流输入参数的影响时,湍流输入参数会相互耦合地作用于宽频噪声,其影响规律与单独作用有明显区别。本文的进步点在于:与现有大多数的解析方法相比,本文发展的风扇/压气机宽频噪声快速预测方法能够考虑叶片几何的三维特性,并且能通过传递单元方法统一计算声源与声传播,考虑两者的相互作用。与现有的CAA方法相比,具有计算量少,时间成本低的优点,在工程上具有较好的应用前景。
【学位授予单位】:军事科学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:V235.13

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