有限厚度变截面管道噪声的数值研究

为了研究航空发动机消声短舱声传播的物理机制,采用快速声散射方法计算管道风扇远场散射问题,使用该方法不但可计算变截面管道风扇的噪声,还可计算有限厚度对声散射的影响.通过数值模拟分析了两种不同简化管道形状(等截面圆管、变截面圆管)中管道厚度对散射声场的影响,当管道厚度超过半径的2%时,管道厚度对散射声场的影响不能忽略,研究成果为声学预测中管道厚度的选择提供了参考依据.      

一种可用于声衬优化设计的管道声传播有限元模型

以航空发动机消声短舱声学设计为目标, 发展了一种管道声传播有限元模型, 它包含了壁面声阻抗、管道截面积和形状变化、以及管内非均匀流动等典型影响因素.应用该模型针对一种真实的高速转子声源进行了管道消声的数值模拟, 不仅得到了细致的管内声场分布情况, 更利用其快速的特点完成了声衬声阻抗的优化计算.结果表明该模型具有工程应用价值.      

快速声散射方法在变截面管道中的应用

 快速声散射方法(FSM)是一种基于无流动Helmholtz方程边值问题的声散射预测工具,具有快速、灵活的特点.以航空发动机消声短舱的声学设计为背景,用该方法对变截面管道声传播特性进行数值模拟研究,用直接边界元方法(DBEM)进行数值求解,避免了求解管口反射系数,有效地提高了计算速度.数值研究了刚性壁面和不同位置壁面声衬组合对变截面圆环管道形状声传播的影响,并分析了管道厚度对散射声场的影响,数值结果与声类比方法结果进行了相互验证.最后,还对一种真实转子声源进行了管道声散射的数值研究,结果表明本方法在航空发动机声学设计中具有工程应用价值.     

风扇后传声降噪声衬设计方法及实验验证

针对航空发动机风扇后传声降噪问题,开展了外涵道降噪声衬设计方法研究。将声衬设计过程分为两步,通过采用基于半经验声阻抗模型的声衬设计方法针对给定的声源频率进行初步设计,获得较优的声阻抗及相应的声衬几何参数。之后在初步设计结果的基础上,利用基于高精度计算气动声学的声传播计算软件对声阻抗进行优化,并得到最终的优化方案。为验证提出的设计方法,在全消声室内的风扇后传声降噪声衬测试台分别对初步设计声衬和优化声衬进行了实验验证。实验中采用扬声器模拟风扇声源,给定声源模态为(1,0),频率为3150Hz,内涵出口马赫数为0.8,外涵出口马赫数为0.6。结果表明:在给定的声源模态和频率下,初步设计的声衬可以取得10dB的降噪效果。优化设计的声衬相较于初步设计声衬,远场噪声可以再降低3~4dB。      

基于有限元/边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射模型

发展了一种基于有限元和边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射计算模型.该模型将整个声场分为内部有限域和外部无界域,分别用有限元和边界元方法求解控制方程,在两者之间的界面上使用具有物理意义的声阻抗参数进行匹配,并通过一种快速迭代方法实现全声场求解.这种迭代方法可以保证有限元刚度矩阵等带宽以及对称的特性不被破坏,有助于提高计算效率.该模型先得到了Levine-Schwinger标准解的检验,进而在无流动情况下对于简化的航发短舱进口管道模型进行了噪声辐射现象的数值模拟,最后基于计算结果分析了声衬对远场声辐射的影响.      

一种基于有限元/边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射模型

本文发展了一种基于有限元和边界元耦合方法的管道进口声传播及声辐射计算模型。该模型将整个声场分为内部有限域和外部无界域,分别用有限元和边界元方法求解控制方程,在二者之间的界面上使用具有物理意义的声阻抗参数进行匹配,并通过一种快速迭代方法实现全声场求解。这种迭代方法可以保证有限元刚度矩阵等带宽以及对称的特性不被破坏,有助于提高计算效率。该模型先得到了Levine and Schwinger标准解的检验,进而在无流动情况下对于简化的航发短舱进口管道模型进行了噪声辐射现象的数值模拟,最后基于计算结果分析了声衬对远场声辐射的影响。     

考虑变截面影响的航空发动机短舱声学模型及数值结果

针对航空发动机短舱声学设计的需要,发展一种快速计算方法——传递单元法(TEM),并与直接边界元方法相结合,计算发动机远场声辐射。TEM以等价分布源方法为基础,该方法的优势在于易于计算变截面管道内的声传播,同时,对管道内部声衬位置及长度没有任何限制。给出更接近于真实发动机形状的声辐射算例。     

1/4波长驻波型热声发动机的非线性模型

为研究声波在热声系统开口端和负载构成的阻抗间断面上的声反射问题,针对一端开口的1/4波长驻波型热声发动机建立了一种基于截面平均的准一维非线性热声模型,并采用具有频散保持特性的高精度计算格式进行数值求解。在发动机开口端采用了对于系统共振频率具有一定选择自适应性的宽频时域声阻抗边界条件。宽频阻抗模型写成共轭复数对的留数和极点分式之和的形式,其时域形式可用递推卷积方法进行快速高效的求解,共轭复数系数采用优化拟合方法近似得出。模型可对一端开口的1/4波长驻波型发动机进行临界起振温度的预测,能够描述热声系统的瞬态压力波由初始小扰动经过非线性增长,最终达到饱和的全过程,计算结果与某微小型驻波热声发动机的实验结果相符。最后分析讨论了板叠的形状对热声系统的影响。     

燃烧室火焰筒结构在随机噪声作用下的振动响应分析

针对航空发动机燃烧室火焰筒结构声疲劳问题,建立了某型航空发动机燃烧室火焰筒有限元计算模型。采用耦合的边界元和有限元方法对该结构进行声激励载荷作用下的响应进行计算,获得该结构在不同声压级下的振动位移和应力响应结果,对燃烧室火焰筒结构疲劳故障分析和抗声疲劳结构设计具有一定参考价值。     

基于广义Burgers方程的超声速客机远场声爆高精度预测方法

声爆高精度预测技术是新一代环保型超声速客机设计的核心关键技术之一。基于广义Burgers方程发展了可考虑"大气风"效应的远场高精度预测方法,开发了声爆预测程序"bBoom",并研究了近场声爆信号提取位置和"大气风"对远场声爆计算结果的影响。首先,给出了广义Burgers方程和声爆传播射线的计算方法,重点讨论了方程中计算分子弛豫效应和热黏吸收效应的关键参数。其次,通过简单轴对称构型标模算例、NASA的C25D构型和洛马的LM1021构型等复杂超声速客机算例对所发展的方法进行了验证,表明本文发展的方法在预测远场声爆时具有较高可信度。最后,基于所发展的方法对比了由不同近场提取位置传播到地面的波形,研究了飞机向不同方向飞行时,"大气风"对地面声爆强度和地面影响域的影响。结果表明:对于类C25D标模构型,为了确保远场声爆预测结果具有较高精度,应取机身下方约3倍机身长度位置处的近场压强信号作为传播方程的输入;另外,"大气风"会影响地面声爆强度及地面影响域,在预测时有必要加以考虑。     

切向流条件下短舱单/双自由度声衬实验

使用声学流管实验台对一件双自由度（DDOF）声衬和一件单自由度（SDOF）声衬的声学特性进行对比测试。在最大0.26Ma切向流速和管道的截止频率之下，采用直接提取法SFM测得声衬的无量纲声阻抗，同时使用双传声器分解驻波法计算声衬安装段管道的传声损失（TL）和吸声系数等，基于声能量理论的传声损失可直观地展示两件被测声衬的吸声性能差异。结果表明在流管声学实验台上，相较于单自由度声衬，双自由度声衬能够有效拓宽声衬的吸声频带，同时共振频率处的传声损失不如单自由度声衬，切向流也会明显改变声衬的共振频率、弱化吸声能力。基于声能量的传声损失和吸声系数也为无等效阻抗的非均匀结构声衬提供了一种声学性能评估方法。     

基于传递单元方法的局域反应声衬设计与试验

航空声衬的优化设计是指在发动机管道结构内铺设具有最优阻抗的声衬,以达到最大降噪效果,此过程一般需要对目标进行全尺寸的模拟计算。应用传递单元方法对单级低速轴流压气机试验台进行局域反应声衬的优化设计,并进行声衬消声效果的试验验证。试验结果显示,在设计频率下局域反应声衬对目标模态有良好的降噪效果,传声损失达到44.01 dB,而且具有一定的宽频降噪特性。利用传递单元方法计算的传声损失与实际测试结果趋势一致,声衬的实际降噪效果满足设计需求。研究表明,传递单元方法作为一种快速声学计算方法,适用于管道声传播的全尺寸理论评估,能够有效降低航空声衬的设计周期和成本,适合于工程应用。     

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。      

基于模态发生器的进气道风扇噪声及声衬降噪实验

为研究发动机进气道风扇噪声特性及声衬降噪效果,使用模态发生器提供声源,采用固定麦克风阵列和旋转扫描耙装置测量进气道内噪声信号,进而利用周向和径向模态分解方法得到声模态幅值,对影响模态分解结果的关键因素进行了研究。对周向模态在时域内进行分解,得到幅值和相位的时变特性。最后完成了2套声衬实验件降噪效果测试。结果表明:模态发生器提供的声源可获得风扇噪声的主要模态特征,包括模态幅值、旋转角速度等;满足采样定理条件,径向模态n=0情况下模态发生器产生的主模态和扬声器数量无关;使用旋转扫描耙装置测量声模态,旋转扫描耙的采样位置数对测量结果影响可忽略;在设计频率下,声衬降噪效果良好。模态发生器提供的进气道风扇噪声源可用于对声衬设计方法进一步实验验证。      

现场测量管道声衬声阻抗的双传声器法实验研究

对现场测量管道声衬声阻抗的双传声器法进行了研究.为解决实用声衬蜂窝单元尺寸过小,无法直接嵌入常用传声器的难题,采用了探针传声器技术,通过外径1.5mm的细管引出不易直接测量的声衬表面和背腔内声压信号,并设计了校准方法以确保测量精度.进而,在管内声场具有多重模态和声波斜入射的条件下,应用双传声器法测量了实用蜂窝夹层声衬的声阻抗,并与标准阻抗管的测量数据和一种理论预测模型进行了对比,结果符合良好,从而验证了本方法及测量装置的可靠性.      

多段组合穿孔板声衬降低对旋风机噪声的实验研究

通过对一台自行设计的高效高噪声对旋轴流通风机进行降噪实验研究表明:多段组合穿孔板声衬可大幅度降低对旋风机的离散噪声。使用有效长度为600mm的多段组合穿孔板声衬降噪,风机的总声压级降低了9dB.      

加力燃烧室防振屏的试验研究

 本文从工程实用的角度上研究了合理地选择涡轮喷气发动机加力燃烧室防振屏的结构参数,通过加大声学共振容腔和屏板开孔面积比,使防振屏在较宽广的频率范围内有尽可能高的吸振系数;使防振屏的几何形状过渡平缓,二股气流沿壳体周向趋于均匀,避免在防振屏波谷处气体分离产生涡卷而导致形成两温条带,减少周向温差,减小热应力,使加力燃烧室壳体壁温保持在材料许用温度以下,从而保证了加力燃烧长期可靠地工作。