叶轮机械流固耦合有关模型综述

综述了近年来在叶片颤振和噪声方面的理论和试验研究工作，在理论上发展丰富了叶轮机械气动弹性稳定性理论模型和气动声学模型。介绍了研究中发现的几种对叶片颤振有影响的非定常因素和将气动声学模型用于故障诊断与监测及消声的研究工作。     

气动声学相似理论与试验研究

本文研究了气动声学的一般性相似原理,为气动声学的模型实验研究方法建立理论基础。由此得到了四个关于气动声场相似的相似准则数,导出了适合于流动分析的相似条件。对非定常流动中所产生的脉动力谱进行的相似分析,证实当气动力学完全相似时,以Strouhal数作为无量纲频率参数的脉动力谱函数也完全相似,此时,在几何相似点上测得的声谱在以St数作为频率坐标的频谱图上完全相同。风扇噪声的试验证实了气动声学的相似律。      

简化起落架噪声相似准则及马赫数比例律

真实飞机部件的气动噪声问题可以通过缩比模型气动声学试验研究,但是必须要遵循合适的相似准则。频率相似准则一般选择Helmholtz数或Strouhal数相似,而声源强度的相似准则在一定的雷诺数范围内通常采用Mach数相似。噪声随来流马赫数的比例律可用于外推风洞试验测量数据到真实飞行条件下,并判断声源类型。在北京航空航天大学D5气动声学风洞中对1/2缩比的LAnding Gear nOise database for civil aviation authority validatiON(LAGOON)简化起落架模型进行了气动声学试验研究。试验结果表明:该起落架模型的噪声频率遵循Helmholtz数相似准则而非Strouhal数相似准则。起落架噪声的马赫数比例律与频率有关,在低频范围内满足6次方关系,而在中高频范围内满足7次方关系。将D5风洞测得的噪声频谱按Helmholtz数相似及相应的马赫数比例律转换后与LAGOON原型试验结果对比,发现两者的测量结果吻合得非常好。     

模化设计对离心压气机气动噪声的影响

采用数值计算方法研究了模化设计对压气机气动噪声的影响，三维流场计算结果表明模化设计压气机与原始机型满足相似准则，整级性能参数误差在2%以内；流场结构的分析进一步证实了模化机型与原始机型流场相似。基于非定常雷诺平均方法和声学边界元方法的混合气动声学方法对模化前后的压气机气动噪声进行了数值预测，结果表明:压气机气动噪声主要由离散单音噪声和宽频噪声组成，且离散单音噪声占主导。模化机型总声压级随着模化比减小逐渐减小，相比于原始机型，模化机型离散单音噪声峰值仅略有降低，而宽频噪声大幅提高。压气机气动噪声在进气管口有明显指向性，模化机型声压幅值和指向性较原始机型降低，且变化趋势与模化比成正比。      

基于流场/声场混合模型的叶轮机械单音噪声研究

基于叶轮机械三维非定常黏性数值模拟(URANS)与管道内叶片排气动噪声声类比理论(DBAA),成功地发展了叶轮机械单音噪声混合预测模型(URANS/DBAA),该模型能够实现叶轮机械叶片详细设计参数与噪声辐射强度的关联。由于采用了Lighthill声类比理论,使得该模型并不需要耗费大量计算资源。基于URANS/DBAA混合模型,对某单级轴流风扇的单音噪声及其噪声源分布特性进行了详细的计算分析,结果表明,该混合模型能够准确模拟叶轮机械单音噪声,实现了对叶轮机械单音噪声基本规律的分析和认识。     

航空发动机气动声学设计的理论、模型和方法

根据对飞机噪声控制技术历史发展演化过程的总结分析，研究了民用航空发动机气动与声学一体化设计的目标、方法、流程、理论模型和发展趋势等。基于对航空发动机气动设计过程的分析，给出了航空发动机气动与声学一体化设计的流程和方法。分别从“发动机总体热力循环设计”“发动机部件通流设计”“发动机部件三维详细设计”等三个流程，介绍了航空发动机声学设计理论和技术国内外的发展情况，详细论述了发动机气动声学设计的理论、模型和方法，分析了目前航空发动机声学设计理论的主要问题及未来的研究重点，并以具体发动机设计实例分析了不同设计阶段航空发动机的气动与声学一体化设计方法思想。     

基于CFD的直升机旋翼噪声计算

应用CFD技术和气动声学的时域理论,研究直升机旋翼悬停流场及气动噪声.噪声计算以旋翼流动解为基础,采用了气动声学时域理论,文中对该理论进行了推导和说明,并给出了旋翼旋转噪声的预测算例.     

某微型车车外气动噪声仿真分析

对某微型车气动噪声进行了数值仿真分析。首先,采用大涡模拟（LES）对车外的瞬态外流场进行了仿真分析,然后,应用Lighthill-Curle声类比理论,采用FW-H声学模型,预测了其声学特性。根据流场和声学模拟结果,改进后视镜局部造型来降低气动噪声,最后进行了道路实验,测试了60km/h-120km/h整车噪声,测试结果表明,整车噪声有了明显降低,且最大降低了1.2dB(A)。     

基于Fw-H方程的直升机尾桨与涡线干扰噪声分析

本文通过对直升机尾桨噪声的机理进行分析,建立了尾桨与涡线干扰噪声的计算模型.计算模型中包括气动计算和声学计算,气动计算的结果作为声学计算的输入量.气动计算中分别采用三维非定常面元法计算桨叶表面压力和有扰动薄翼理论计算涡线干扰下桨叶的压力增量;声学计算中采用推导自FW-H方程的Farassat 1a公式,获得声压的时间历程.通过算例分析得到了一些有意义的结论.     

大型民机起落架噪声分析

本文着重讨论了大型民用飞机起落架噪声的气动声学特性、预测方法以及如何降低起落架噪声等三个问题:先分析了气动声学特性,包括噪声的产生机制及声源的位置与频率分布;然后给出了风洞试验、半经验和计算气动声学(CAA)三种预测方法;最后讨论了两种降低起落架噪声的方法,即优化起落架外形和计算最优着陆速度和高度。     

增升装置多段翼型气动声学风洞实验研究

随着航空运输业的蓬勃发展,飞机的噪声污染受到越来越多的关注。在大型飞机起降阶段,增升装置作为主要的机体部件,其辐射出的噪声量级已经占据飞机总体噪声的很大一部分,是未来飞机能否进一步降低噪声达到适航标准的关键性因素。针对增升装置多段翼型30P30N的气动噪声问题进行实验研究,实验在北航D5气动声学风洞中开展,使用Kevlar布和穿孔板对实验段进行了气动声学改造,以满足透声不透气的气动声学实验要求。通过远场传声器和麦克风阵列测量得到30P30N模型的远场气动噪声特性和定位主要声源位置,引进小波变换的信号分析方法得到噪声的时频特性,全面揭示多段翼型的气动噪声产生机理。     

常规闭口风洞相阵列气动声学试验

传统气动声学研究观点认为,精确的声学测量要求风洞背景噪声和洞壁反射足够低,传声器测量结果有足够高的信噪比,这是大多数风洞无法达到的要求。近些年,基于声纳和雷达技术发展起来的麦克风相阵列技术可以通过增加阵列的传声器数目从而大幅提高声学测量的信噪比,具有噪声源研究和定位能力,并被成功地应用于非声学固壁风洞噪声源测量和噪声物理机制研究。作者基于相阵列波束生成频域算法研制出常规闭口风洞相阵列系统及相关技术,在FD-09风洞尝试进行了相阵列校准试验和某民机噪声测量试验。结果表明：相阵列技术能够准确捕捉到真实的校准声源,并从技术上验证了相阵列系统在常规闭口风洞测量气动噪声是有效的。     

飞机起落架气动噪声特性仿真与试验

 对某型飞机前起落架的气动噪声特性进行了数值仿真分析和声学风洞试验研究。在典型飞机着陆速度下,采用分离涡(DES)方法模拟起落架周围非定常湍流流场,通过涡声理论计算声源的强度和位置,并利用FW-H(Ffowcs-Williams/Hawkings)方程积分外推法求解出不同部件及其组合件产生的声场,分析其噪声的产生机制、频谱特性及远场指向特性,同时评估各部件对总噪声的贡献量。在声学风洞中对轮胎和轮叉组合件进行气动声学试验,借助麦克风测量获得了噪声的频谱特性。基于部件固体表面积分计算的仿真结果与试验结果在声学远场条件下吻合较好。仿真结果表明:起落架气动噪声是钝体绕流噪声和空腔噪声的叠加,呈现宽频噪声的特性。强度最大的声源主要分布在起落架各部件的固体表面;轮胎噪声对总噪声的贡献最大,其次是轮叉噪声,支柱噪声对总噪声贡献最小。各部件噪声和总噪声均具有偶极子声源的辐射特性。空间可穿透积分面计算的声压级结果比固体表面计算的声压级结果大5 dB左右。该研究结果为低噪声起落架设计提供了一定的参考。     

基于涡限制法的旋翼气动噪声计算

在直升机旋翼流动的数值模拟中,流动求解精度对旋翼气动噪声的预测有着重要影响.采用中心格式有限体积法求解可压缩Euler方程数值模拟旋翼绕流,并采用基于Ffowcs Williams- Hawkings( FW-H)方程的声类比方法计算旋翼气动噪声.为了抑制中心格式的数值耗散,保持机翼翼尖以及旋翼桨尖的尾涡结构,引入了涡...     

An intelligent algorithm for coherent sound source localization based on a strong tracking filter

Background noise is inevitable when sensor arrays are used for aeroacoustic measurements in wind tunnels. The direct removal of background noise, however, would affect the measurement accuracy. In particular, the existing array signal processing algorithms are either invalid or inefficient for removing the noise that is coherent with the signal of interest. In this paper, an intelligent algorithm is developed to localize the coherent sound sources and background noise in real time by iteratively checking the collected data from the array. The proposed method can automatically adjust the suboptimal fading factor to extract useful information as much as possible in residual sequence. This algorithm is tested in simulations and then demonstrated in an experiment.Compared to the two existing methods, the results indicate that the new method has a good phase-shift tracking ability and rapid estimation-error convergence speed, and can achieve an acceptable performance even for low-cost acoustic sensors. Overall, the proposed method should assist array beamforming and hence benefit aeroacoustic measurement.     

低速航空声学风洞背景噪声测试技术研究

介绍了在国内第一个全新设计的0．55m×0．4m航空声学引导风洞开展风洞背景噪声测量的技术方案和方法,对电容式麦克风、脉动压力传感器、预极化和非预极化传声器、自由场和压力场传声器、传声器安装方式以及声学频谱算法进行了比较实验和分析。在初期实验过程中,根据测试结果优化了风洞降噪方案,达到了较为理想的风洞背景噪声指标。测试结果表明：采用电容式麦克风比采用脉动压力传感器得到的频谱和声压级精度高;在消声部段前后的同一侧洞壁上测量,可以得到消声部段传声损失;压力场和自由场传声器在修正后可以互换使用;为得到重复性较好的背景噪声频谱和有效声压级,采用频谱线性平均算法。实验结果对低速航空声学风洞背景噪声测试具有一定的指导意义。     

基于IBC方法的旋翼BVI噪声主动控制机理

为揭示单片桨叶控制(IBC)主动控制技术抑制旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声的降噪机理,建立了一套基于CFD/CSD/FW-H_pds方程的综合噪声分析方法。旋翼桨-涡干扰噪声与旋翼桨叶载荷特性、气动变形以及旋翼桨尖涡结构等密切相关,为有效模拟旋翼桨叶的载荷特性及桨尖涡结构,将Navier-Stokes方程作为前飞流场的主控方程,空间离散上采用三阶MUSCL插值格式与通量差分裂Roe格式相结合;时间方向上采用双时间法,使用隐式LU-SGS格式在伪时间方向上进行推进;湍流模型采用对分离流动具有较好捕捉能力的Spalart-Allmaras模型。为提高旋翼桨叶弹性变形运动的模拟精度,建立了基于Hamilton变分原理的CSD模型,并与高精度的CFD求解器结合,发展了适合旋翼桨叶变形及载荷特性模拟的流固耦合分析方法。在CFD/CSD耦合方法分析流场基础上,使用可穿透空间积分面的FW-H_pds方法对旋翼气动噪声特性进行计算。首先,对流场及噪声数值方法进行验证;然后,着重针对UH-60A旋翼的斜下降飞行状态,分别对有/无IBC噪声主动控制条件下的旋翼BVI气动噪声特性进行了模拟,相位角、幅值和频率等不同控制参数的影响对比分析结果表明:IBC主动控制减小了前行侧桨叶表面尤其是桨叶尖部的负压峰值,降低了桨-涡干扰发生位置附近的桨叶气动载荷;同时主动控制后的桨尖涡集中程度变弱,并且增加了桨叶与桨尖涡之间的相遇距离,从而显著降低了桨-涡干扰噪声;选取合理的相位角、幅值和频率等主动控制参数组合,BVI噪声降低可达5~7dB。