基于声学风洞的麦克风阵列测试技术应用研究

根据声学风洞气动噪声试验研究的需求,介绍了一种适用于声学风洞试验的麦克风阵列测试技术,并针对声学风洞的特点,利用风洞射流剪切层修正方法,提高了麦克风阵列识别声源的精准度。通过数值仿真和在0．55m×0．4m声学风洞的试验研究,验证了麦克风阵列测试系统和麦克风阵列数据处理方法识别声源的能力。研究结果表明所采用的麦克风阵列测试技术可用于声学风洞试验。最后还采用36通道的麦克风阵列在0．55m×0．4m声学风洞开展了NACA23018翼型气动噪声试验研究,试验明显地观察到翼型后缘噪声,获得不同迎角下翼型的噪声特性。     

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。     

民用飞机增升装置气动噪声学风洞试验初步研究

采用模拟退火法阵列优化设计技术设计了对数螺旋麦克风阵列,开发了基于“波束成型理论冶的阵列试验数据处理软件。将风洞麦克风相阵列噪声识别技术用于SCCH模型增升装置气动噪声研究,开展了增升装置气动噪声源的远场定位探测和强度测量,并用数据处理软件对风洞试验数据进行处理。试验结果表明,随着观察频率的变化缝翼噪声声源的位置与强度会发生变化,襟翼侧缘噪声是一个宽频噪声,不同频率下其强度分布存在差异。同时也发现缝翼安装支架对缝翼和襟翼气动噪声声源有较大影响。文中也给出了多种工况下缝翼和襟翼噪声源分布。     

开式空腔气动声学特性及其流动控制方法

在高速风洞中对空腔流场气动声学特性进行了试验研究,采用剪切层扰流法对流场进行流动控制,空腔长深比为4.1。通过对空腔流场的脉动压力试验结果分析,研究了亚、跨声速条件下开式空腔流场的气动声学特性及气动噪声抑制效果,对开式空腔流场气动噪声形成机制及流动控制机理进行了分析。试验结果表明:开式空腔流场气动声学环境恶劣,最大总声压级(OSPL)高达177dB;开式空腔流场存在强烈的自持振荡,声压频谱曲线上存在多个不同模态的单调声;亚声速条件下,采用剪切层扰动法进行流动控制可导致空腔流场气动声学环境更加恶劣;跨声速时,采用剪切层扰动法进行流动控制使空腔流场气动声学环境明显改善。     

普通室内机翼尾缘噪声降噪的实验研究

为了研究锯齿形尾缘对SD2030低雷诺数翼型尾缘噪声的影响,在普通室内,采用由31路麦克风组成的线性阵列对SD2030吹风试验进行了声学测量。实验过程中,基于机翼弦长的雷诺数范围为2.1×105~3.2×105。在考虑混响、驻波和壁面反射影响的基础上,设计了一长为1.72m的非等间距线性阵列。当频率大于1k Hz时,墙壁反射对测量结果的影响在0.5d B以内,驻波的影响也可以忽略。采用时域波束成形算法对声学信号进行处理之后,成功识别出了风洞噪声源、机翼前缘噪声源和尾缘噪声源。比较直尾缘机翼和锯齿形尾缘机翼的声源分布图发现,在1k~10k Hz的频率范围内,采用锯齿形尾缘设计能够降低尾缘噪声声压级最大约5d B。     

汽车风洞试验段流场的试验研究

以上海地面交通工具风洞中心全尺寸气动声学风洞1：15模型风洞为研究对象,采用三维热线风速仪,测量了该模型风洞内不同工况下试验段内流场的分布情况。通过所测流场内平均速度的分析,了解该模型风洞试验段内气流的定常流动形态,对比典型射流结构进行分析,得到了该开口式低速汽车风洞试验段内喷口处射流剪切层所特有的结构形态;通过对风洞试验段内不同截面处流场内部湍流强度的分析比较,了解了喷口射流剪切层内以及收集口处的湍流强度大小与分布情况。     

噪声对边界层转捩的影响

风洞流场的噪声和湍流度是影响层流边层转捩实验结果的两个重要因素。本文通过实验初步研究了噪声对转捩的影响，实验包括：输入声影响和风洞流场的噪声。结果表明，声频和声压在数值上都存在敏感区；风洞噪声是宽带噪声，以低频为主（至少低速风洞是如此），这对层流边界层转捩有重要作用；风洞噪声会随风速加大而增高，在稳定段用栅格改变湍流度时，实验流场的噪声会随湍流度升高而增加。     

声学风洞风扇段流场特性数值模拟

风扇段是声学风洞的核心部段之一,风扇气动性能和声学性能对风洞的能耗与试验段背景噪声有重要影响。为了获得静叶构型的优化设计参数,采用数值模拟方法,对0.55m×0.4m低湍流度航空声学风洞风扇段的流场特性进行了研究,根据叶片的流动现象,分析了风扇段内部的工作形态,并将其性能与试验数据进行了对比,结果证明该方法能对风扇段性能进行较为准确的模拟。采用该方法得到了动静叶间距、静叶后掠、静叶倾斜对风扇气动性能、流场形态和噪声的影响,静叶后掠对气动性能的影响较小,有助于减小出口的旋转速度,增大动静叶间距对气动性能的影响较大,会增大出口的旋转速度,而静叶倾斜是最适宜的降噪方式。     

基于简化射线模型的剪切层相位修正方法

给出了基于简化射线模型的三维有限厚度风洞剪切层相位修正方法,利用数值模拟结果对该方法的物理依据进行了解释,并将其与传统的Amiet方法和平均马赫数法进行了对比研究,通过风洞试验对简化射线法的有效性进行了验证,最后给出了简化射线法对空间弯曲的剪切层的相位修正方法。结果表明:在来流马赫数小于等于0.3、测量角在40°~140°的范围内,当声源和传声器在同一个平面内时,对于风洞剪切层引起声波相位畸变修正,简化射线法、平均马赫数法和Amiet方法之间没有明显的差别,三种方法之间的相对误差小于1%。      

基于Mohring声类比发动机喷流噪声数值计算

为了研究非均匀流场中航空发动机喷流噪声特性,满足未来的航空器噪声适航要求,采用计算流体力学（CFD）和计算 航空声学（CAA）相结合的混合数值算法,对大涵道比发动机喷管的简化缩尺模型进行气动噪声仿真计算。采用大涡模拟（LES）计 算喷管的瞬态喷流流场;在流场计算的基础上使用Mohring声类比进行声源提取,将时均流场插值到声学网格作为背景流,结合有 限元和无限元方法对喷流噪声近场以及远场的辐射特性进行数值计算及分析,并通过单通道锯齿形喷管试验验证数值计算方法 的可行性。数值结果表明：发动机喷流噪声主要是由内外涵剪切层内的涡环破碎产生的大尺度涡而形成的,噪声辐射峰值主要集 中在低频范围内,随着频率升高,各方向角的声压级都在降低,在1000~2500 Hz,从125 dB快速降低到105 dB,之后衰减速度变缓, 到100 dB趋于稳定。数值计算方法精确度高,最大计算误差为1.97%。为发动机噪声适航提供了一种噪声预测方法。     

多层烧结金属丝网在风洞中的应用

在跨超声速风洞中常采用在稳定段上游安装阻性消声器或谐振腔式消声器来降低暂冲式风洞主回路的主调压阀门、引射器或连续式风洞的压缩机等驱动风洞的动力源所产生的气流噪声强度,达到抑制这些噪声下传影响风洞试验段流场动态品质的效果。随着技术的不断更新特别是降噪技术的不断发展,采用多层烧结金属丝网作为一种新型的消声装置代替原有消声器成为可能。针对这种新技术是否能达到降低风洞气流噪声强度的目的,开展了试验研究方法,通过引导性试验证明,采用多层烧结金属丝网的消声效果优于常规的消声器,且出口气流品质得到较大改善,湍流度大幅度降低,可将这一技术运用到某超声速风洞中。通过性能测试,达到了预期目的,拓展了风洞的降噪技术。     

Prediction of noise radiation from basic configurations of landing gears by means of computational aeroacoustics

Noise radiation from aircraft during the takeoff and landing has become a major issue for inhabitants living in the vicinity of airports and thus for regulation authorities and aircraft developers. However the numerical simulation of aeroacoustic noise, especially for complex geometries like a landing gear, remains one of the most difficult challenges in aeroacoustics. The present study, aiming at predicting noise radiation from basic geometries as well as the noise radiation of a simplified landing gear, employs a hybrid approach that combines a CFD simulation with the decoupled computational aeroacoustics (CAA) simulation. Flow-induced noise is assumed to originate from turbulence. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations with different closure approaches can be employed to gain the required turbulent quantities. Subsequently, quantities as the mean flow velocities, pressure, density, turbulent kinetic energy and dissipation rate of the CFD simulation are the starting point for the generation of the transient acoustic sources by the stochastic noise generation and radiation (SNGR) method. It is assumed that the acoustic phenomena do not provide feedback to the mean flow field and turbulence and thus a recalculation of the flow field is not required. Since the propagation of sound is insignificantly influenced by turbulent and viscous effects, it can be described by the Euler equations in the near field. The CAA simulation is extended with a Ffowcs Williams Hawkings (FWH) module that calculates the noise levels in the far field upon integrating the surface source terms on a porous FWH surface within the CAA domain. The results of the simulations are compared with experimental data, obtained by measurements in an acoustic wind tunnel.     

声学风洞的设计

介绍声学风洞设计理论，重点阐述流场和声场以及声学测量中值得注意的一些问题，包括；声学风洞的定义；低速声学风洞和高速声学风洞的特点，关于设计方法；全新声学风洞的设计和常规风洞改造成声学风洞，设计遇到的声折射、声散射、流动振荡，消声大厅的回流，频率范围以及风扇叶片的失速问题；试验段的霍尔数以及提高霍尔数的方法；风洞消声器及降低风洞背景噪声的方法。本文还以ＮＨ－２风洞为例，简单讨论了常规风洞改造成声学风     

马赫数1.95超声速欠膨胀喷流声辐射数值分析

针对马赫数为1.95的欠膨胀超声速喷流声辐射特性,采用高精度计算格式的大涡模拟（LES）方法进行数值研究。通过对喷流平均流及湍流脉动统计结果的对比,确定数值方法的精确性。细致分析了超声速喷流流动特征,特别关注了其中激波胞格和湍流相互作用现象。基于流动与声场辐射间的关联性,分析了超声速喷流马赫波、宽频激波噪声辐射特性及形成机理。数值结果表明超声速喷流的剪切层演化及激波胞格与湍流间的相互作用构成欠膨胀超声速喷流的主要噪声源。     

High Fidelity Simulation of Turbulent Jet and Identification of Acoustic Sources

A turbulent round jet at the Reynolds number of 7,290 is simulated by direct numerical simulation to study jet noise source and its propagation. A large domain of 60 diameters in the axial direction, 30 diameters in the radial direction, and full 360 degrees is chosen to minimize the effect of boundary conditions. The spatial statistics of the simulated flow and the peak amplitude of acoustic radiation at 45 degree angle agree well with existing literature, confirming the quality of the data. Motivated by Ffowcs Williams and Hawkings equation, acoustic source terms for the far field sound propagation were identified both in the time and the frequency domains. The spectra at three respective locations of the potential core, the shear layer, and the ambient indicate that the fluctuation magnitudes are highest in the shear layer, followed by the potential core and the ambient. The turbulent characteristics are isotropic in the potential core and the shear layer, and the ambient exhibits an intermittent behavior.     

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。     

离心风扇非定常气动力和气动噪声特性数值研究

将Lighthill方程转变为频域Helmholtz弱积分形式并采用Galerkin方法离散.基于声学有限元方法考虑声波在复杂固壁(叶轮和蜗壳)内的散射和反射等作用,利用Ffowcs Williams-Hawking(FW-H)方程耦合非定常流场计算结果数值预测了某离心风扇的噪声辐射,流场计算结果和蜗壳壁面动态压力测量结果在基频上吻合较好.结果表明:基频压力脉动分量在噪声源特性中占据主导地位且靠近叶轮前盖板对应位置的蜗舌区域(叶轮出口宽度范围内)是最主要的噪声源区域;声学有限元方法和实验吻合较好,复杂固壁对声传播影响不容忽略.叶轮出口不稳定气流对蜗壳周期性冲击引起的转/静干涉噪声远大于叶片偶极子源噪声是离心风扇最主要的噪声辐射分量且噪声主要从风扇管道出口方向传播.      

翼型风洞侧壁干扰的数值模拟研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模拟试验对风洞侧壁干扰进行模拟，将简单代数湍流模型扩展用于机翼／风洞侧壁结合区流动，分析了风洞实验侧壁干扰问题的形成机理和影响翼型实验侧壁干扰的各种因素，如翼型展长、风洞侧壁边界层厚度及侧壁边界层抽吸等，对实验结果的影响，得出了一些有用的结论。计算格式空间采用中心有限体积离散，时间采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分。计算结果证明了该方法的可行性和优越性。     

电弧加热流场湍流度对尖锥边界层转捩影响的研究

电弧加热流场的热环境特性直接影响热防护系统的地面试验数据,由于电弧加热器高温气流和参数波动的原因,直接测量湍流度非常困难。为研究电弧加热流场湍流度对于边界层转捩的影响,采用红外热图热像仪,在电弧加热流场中进行了5°尖锥模型边界层转捩研究。结合数值计算,将试验结果与常规风洞的尖锥边界层转捩结果进行了比较。结果表明：马赫数影响的雷诺数转捩判别准则可以用于计算电弧加热流场的转捩雷诺数;电弧加热流场的尖锥边界层转捩雷诺数显著小于常规风洞的转捩雷诺数,表明在该试验条件下,电弧加热流场的湍流度显著大于常规风洞。