多孔材料夹层结构声辐射特性的两尺度拓扑优化设计

基于均匀化计算理论结合结构构型设计和材料构型设计,建立以声辐射功率为目标的两尺度材料/结构协同优化模型,针对夹层结构声学设计问题,开展了声辐射特性拓扑优化研究。分别给出了声辐射功率对宏观和微观设计变量的灵敏度,结合移动渐近线法(MMA)实现了材料/结构两尺度设计。结果表明,声辐射功率两尺度优化改变了夹层结构各阶主振型的形状和顺序,同时也改变了被激发的振型。此外,算例研究了激励频率和约束对优化结果的影响以及声辐射功率目标优化的特殊现象。     

OPTIMIZATION OF ACOUSTIC IMPEDANCE，GEOMETRIC STRUCTURE AND OPERATING CONDITION OF LINERS MOUNTED IN ENGINE DUCT

ＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮＯＦＡＣＯＵＳＴＩＣＩＭＰＥＤＡＮＣＥ，ＧＥＯＭＥＴＲＩＣＳＴＲＵＣＴＵＲＥＡＮＤＯＰＥＲＡＴＩＮＧＣＯＮＤＩＴＩＯＮＯＦＬＩＮＥＲＳＭＯＵＮＴＥＤＩＮＥＮＧＩＮＥＤＵＣＴＬｕＹａｄｏｎｇ；ＷａｎｇＱｉｎｇｋｕａｎ（Ｉｎｓｔｉ...     

软性多孔材料圆柱降噪特性实验研究

空腔噪声为气动噪声领域中重要的一部分,声衬作为一种有效的降噪措施,其原理为微穿孔板吸声体,即多个亥姆霍兹共鸣器并联,通过激发背腔共振吸收声能。声衬的吸声效果受到多个结构参数的影响,针对低速空腔气动噪声问题,通过微穿孔板吸声体原理对声衬进行多参数混合设计,并将其加装到空腔中,对比加装声衬前后空腔噪声的频谱特性,评估声衬在空腔噪声问题中的降噪效果,分析加装声衬对空腔噪声的自激振荡及声共振产生的影响。     

弹性空腔流致噪声/结构振动特性试验

高速空腔中经常存在高强度且多频率分量的流致噪声,空腔噪声与结构振动之间耦合效应严重,甚至可能发生结构共振。为此,在0.6m×0.6m高速风洞中,通过调整空腔底板厚度,改变其结构固有频率,模拟空腔流致噪声/振动相互作用。利用脉动压力和振动加速度测试技术,获取亚跨声速条件下,弹性空腔流致噪声特性及其结构振动响应特性。马赫数变化范围为0.6~1.2。结果表明,当振动强度较弱时,结构振动对空腔噪声影响较小,而空腔噪声对结构振动影响较大,在噪声载荷主频位置,振动谱出现峰值并且噪声/振动相关性达到最强;此外,空腔结构振动还与其固有频率特性密切相关,振动主要以低阶模态为主。     

流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。     

固体火箭发动机的声学分析及燃烧稳定性预估

提出一种预估固体火箭发动机燃烧稳定性的方法。文中着重研究了燃烧室内腔声场的有限元数值分析问题,并应用声学有限元素法对一个二维轴对称装药发动机燃烧室内腔进行了固有频率及固有振型计算。随后,在声学分析的基础上对该发动机做了燃烧稳定性预估。其结果与多次试车的结果一致。最后还就声学分析的验证,减少机时和内存,微粒尺寸的确定,预估方法及计算程序的通用性等问题进行了讨论。     

基于混合方法的膨胀腔非稳态流动及气动噪声分析

采用混合方法对气流作用下的膨胀腔的非稳态流动和气动噪声进了数值仿真分析。建立基于有限体积法的流体仿真模型,采用大涡模拟方法对膨胀腔内部非稳态流动进行计算。数值仿真结果捕捉到了腔体内部非稳态流动以及涡量的发展变化过程,并与实验观测结果基本吻合。采用积分插值的方法将流场结果插入声学网格上,基于气动声学理论计算腔体内部的流噪声源。建立声学仿真模型,将流噪声源导入声场网格中计算远场响应点的声压,并与实验结果进行对比,声压级以及共振频率都吻合良好。结果表明:混合仿真方法准确直观揭示出管内流噪声产生的机理和过程,尾管辐射噪声的仿真结果与实验结果及理论计算结果的偏差都在5%以内。      

正弦波激励下刚性开孔结构内压响应特性实验

利用声音振动发生原理研制了专门用于内压机理研究的实验装置,对单一开孔的刚性结构在正弦波气压激励下的内压动力特性进行了多参数对比实验。实验研究结果表明：开孔结构在外部动压力作用下会发生腔体共振,随开孔面积增大,腔体共振频率增大阻尼比减小;随孔口深度及内部容积增大,腔体共振频率减小阻尼比增大;对于深宽比很小且开孔面积相同的孔口,孔口形状对腔体共振频率影响不大,对阻尼比有一定影响。     

风扇出口导向叶片低噪声设计Ⅰ:方法与优化

作为"风扇出口导向叶片（Outlet Guide Vanes，OGV）低噪声设计"系列文章的第1篇，本文在现有压气机气动设计流程的基础上，加入了噪声评估过程，建立了基于通流设计的气动/声学一体化设计方法。为提高设计阶段的评估速度，以三维升力面理论与管道声学理论为基础，从通流设计和造型设计输出中提取参数，结合转子尾迹模型，建立了转/静干涉噪声的解析预测模型。以现代大涵道比涡扇发动机风扇/增压级为对象，采用该模型系统分析了OGV轴向掠形与周向倾斜对转/静干涉噪声的影响，获取了轴向掠形角与周向倾斜角等三维设计参数与风扇噪声的关系图谱，初步确定了低噪声设计较优降噪量的掠和倾组合方案。以此为基础，在保持叶尖子午投影位置和弦长不变的前提下，将叶片前缘和径向积叠进行参数化，采用遗传算法进一步开展了OGV的低噪声优化设计，最终获得了2个优化方案，预估的降噪量达到了8 dB。     

前缘直板扰流对高速空腔的降噪效果分析

高速空腔复杂流动和噪声一直是航空航天领域所关注的问题,高强度的空腔噪声不仅影响腔内仪器设备的正常运行,还会对其自身的结构产生疲劳破坏,进而影响飞行器的飞行安全和品质,因此空腔噪声的抑制研究和典型控制方法的降噪效果分析对提高飞行器结构安全性意义重大。本文通过开展高速风洞试验研究跨超声速（Ma=0.9和Ma=1.5）来流条件下前缘直板装置对空腔（长深比为6）流动和噪声的控制机理,通过对比多种前缘直板控制条件下的腔内噪声声压级（SPL）分布,确定直板控制参数的优化选择方法及最优参数;利用静态/动态压力传感器和油流试验采集腔内静压、脉动压力和壁面流谱,着重分析前缘直板对腔内流动结构、声压级和声压频谱的影响规律。结果表明：前缘直板可以大幅度抬高剪切层的位置,使得后缘的撞击区域后移,从而削弱流体进入腔内的流量和强度;可以有效降低腔内静压、减小回流强度和范围,对腔内声压级和峰值噪声也具有显著的抑制效果,Ma=0.9和Ma=1.5时后缘声压级降低幅值可达11.13 dB和8.0 dB。前缘直板流动控制为高速来流条件下空腔噪声的抑制提供了一种新的方法,可有效应用于飞行器上空腔结构的流动/噪声控制,具有重要的工程应用价值和前景。     

Self-sustained oscillation for compressible cylindrical cavity flows

The presence of a cavity changes the mean and fluctuating pressure distributions. Similarities are observed between a cylindrical cavity and a rectangular cavity for a compressible flow.The type of cavity flow field depends on the diameter-to-depth ratio and the length-to-depth ratio.The feedback loop is responsible for the generation of discrete acoustic tones. In this study, the selfsustained oscillation for a compressible cylindrical cavity flow was investigated experimentally. For open-type cavities, the power spectra show that the strength of resonance depends on the diameterto-depth ratio(4.43–43.0) and the incoming boundary layer thickness-to-depth ratio(0.72–7.0). The effective streamwise length is used as the characteristic length to estimate the Strouhal number. At higher modes, there is a large deviation from Rossiter's formula for rectangular cavities. The gradient-based searching method was used to evaluate the values of the empirical parameters. Less phase lag and a lower convection velocity are observed.     

异形腔体压电声衬声学性能

为提高压电声衬对低频噪声的抑制范围,对声衬腔体进行结构优化。利用平面波理论构建了两种曲线管道的声学物理模型,并分别建立了两种模型的传递矩阵,以此作为异形腔体亥姆霍兹共振器传递损失计算的理论依据,并通过仿真验证其正确性。结合压电振子的形变对声衬进行有限元仿真分析,结果表明:在压电振子施加500V驱动电压时,两种声衬频率偏移量分别为115Hz和120Hz。与圆柱形腔体声衬进行对比结果表明:在相同腔体厚度范围内,由曲率越大的曲线所生成的腔体,在相同驱动电压条件下,频率变化率越高,这为今后对声衬腔体结构优化提供一种有效的依据。      

直升机主减机匣结构振动噪声分析与优化

针对直升机主减速器机匣的振动噪声问题,对机匣进行基于频率响应和模态贡献量的结构动力学特性分析,给出机匣的振动特性,并确定对结构振动特性起主要影响的模态.利用间接边界元与有限元相结合的方法,应用基于结构面板声功率贡献量的分析方法,进行结构噪声功率分析和结构噪声功率面板贡献量分析,给出机匣的声学辐射特性,找出相应激励频率下对结构噪声功率贡献量最大的面板.以该面板为设计域进行结构拓扑优化,并根据优化结果合理布置加强筋,以提高结构刚度,达减振降噪的目的.结果表明:结构速度频率响应峰值下降了36%,减振效果良好,结构声功率级有了明显的降低,其中声功率级峰值下降了5dB,降噪效果良好,为直升机主减机匣提供了一种可行的减振降噪方法.      

超声速空腔流动波系演化及噪声控制研究进展

空腔结构在先进飞行器和动力装置中应用十分广泛,如飞机内埋武器舱、起落架舱、导弹光学头罩、超燃冲压发动机燃烧室、推力矢量发动机喷口等。这些空腔结构在实际应用中普遍面临严峻的气动噪声问题。研究表明,空腔噪声的产生与腔内非定常流动和复杂波系结构关系密切。对超声速空腔流致噪声已开展的研究进行综述,从而为系统地认识波系结构的演化规律、噪声产生机理和噪声控制机理提供参考。首先,介绍了闭式、过渡式和开式3种不同类型超声速空腔流动的主要特点,针对气动噪声最为严重的开式空腔流动,分析了7种典型波系结构形成、传播和相互作用等规律。然后,从空腔压力振荡反馈回路的4个关键环节出发,分析了当前广泛应用的3种压力反馈模型的异同。最后,总结梳理了超声速空腔噪声控制的5条路径,指出在第5条控制路径"干扰反馈激波的传播"研究方面存在的不足。并指出了当前研究存在的部分问题,就未来研究方向提出了建议。     

应用等离子体抑制空腔噪声数值仿真研究

空腔在自由来流下将产生强烈的气动噪声，这种噪声会对飞机产生负面作用，需要寻求噪声控制方法抑制空腔噪声。等离子体是一门新兴的流动控制技术，可应用在噪声抑制方面。通过在空腔前缘、后缘以及底面10个不同的位置布置等离子体激励器，研究了等离子体激励对空腔噪声的影响。结果表明：等离子体激励可以降低空腔噪声，声压级最高降低约4 dB；降低了空腔离散噪声的峰值频率；在空腔前缘壁面施加等离子体激励，噪声抑制效果最好。     

高性能计算支持的静气弹优化设计方法

为扩大国产超级计算机在国内航空航天工业领域的应用,面向大展弦比机翼气动结构综合优化设计的实际问题,基于具有大量工业应用和自主知识产权的CFD软件TRIP和CSD软件SiPESC,应用改进的三维类别/形状变换（CST）参数化方法、差分敏度并行计算策略和移动渐近线（MMA）等大规模优化算法,通过TRIP+SiPESC耦合气弹分析软件预测气动载荷,发展了一套机翼型架外形的优化设计方法。以CRM标模内插机翼为例,针对无弯扭的初始型架构型,以气动外形展向几何扭转分布和结构有限元模型一万个壳单元厚度为设计变量,实现1 g载荷气动优化和2.5 g载荷结构优化的综合;在不降升阻比、满足最大应力/位移的约束下,俯仰力矩系数改善近40%,针对本文假设材料和初定的尺寸参数,机翼减重近9%,验证了方法和软件的有效性。该方法直接采用产品级高保真的自主静气弹分析软件预测气动力/载荷,将计算资源耗费大的静气弹优化和设计变量/约束规模大的结构优化分治,有较好工程应用前景。     

微波与等离子体之间的相互作用

根据微波和等离子的基本理论以及它们之间相互作用的原理,建立了由微波能、谐振腔内电场、工质流场、等离子体平衡场等组成的轴对称偏微分方程组。通过对模型的计算,获得了放电管内等离子体区的形状、电场、电子浓度和温度场,以及气体温度场。     

微型客车后视镜气动噪声仿真分析与控制

采用大涡模拟(LES)对某微型客车的瞬态外流场进行仿真分析,应用Lighthill-Curle声类比理论,采用FW-H声学模型,预测其车外气动噪声特性.对后视镜局部造型进行优化改进.最后进行了实车道路实验,测试了60～120 km/h整车噪声,测试结果表明,通过改进后视镜的造型整车噪声有了明显降低,且最大降幅为1.2 dB.      

CONTROL OF TWO DIMENSIONAL JETS USING MINIATURE ZERO MASS FLUX JETS

Zero mass flux jets, synthesized by acoustic actuators, have been used for the purpose of jet mixing enhancement and jet vectoring. Zero mass flux jets composed of entirely entrained fluid allow momentum transfer into the embedding flow. In the present experiments, miniature-scale high aspect ratio actuator jets are placed along the long sides and near the exit plane of a primary two-dimensional jet. In different modes, the primary jet can be vectored either towards or away from the actuator jets and the jet mixing is enhanced. The disturbance of the excitation frequency is developed while the unstable frequency of the primary jet is completely suppressed.     

基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%～4%。