基于 DDES 算法的有扰流片腔体气动噪声分析北大核心CSCD

为了进一步了解腔体流场的物理特性以及锯齿形扰流片这种被动控制方法对腔体噪声振荡的抑制效果,对马赫数0.85下、长深比为5∶1的矩形腔体进行了气动声学分析。分析过程采用了基于Spalart-Allmaras单方程模型的延迟分离涡模拟(DDES)的CFD方法。计算结果以声压级(SPL)形式与英国QinetiQ基地进行的实验研究结果进行比较。计算准确地预测出了第二阶和第三阶主导模态的声调噪声幅值,其误差均不超过2dB。为了验证腔体前缘安装扰流片这种广泛应用的腔体噪声被动控制方法,计算重点分析了带有锯齿形扰流片的腔体结构噪声等级。计算分析结果与空腔结果对比分析后认为前缘锯齿形扰流片可以降低第二阶主导模态的峰值噪声等级10dB以上,其它频率下的腔体噪声等级可降低接近5dB,降噪效果较好。     

前缘高频振动对亚声速开式空腔内强噪声影响的数值研究

空腔流动现象广泛存在于各类航空飞行器中,对其包含的多种复杂物理现象的研究具有十分重要的工程及实际意义。采用大涡模拟方法对开式空腔噪声进行数值仿真,并研究了腔体前缘壁面施加高频振动后对腔体内部纯音噪声及模态的影响。研究发现随着壁面振动频率的提高,腔体内部的纯音噪声峰值逐渐降低,当腔体前缘壁面振动频率达到4000 Hz时,腔体内部1阶与2阶模态的纯音噪声峰值分别降低15 dB和17 dB。因此在腔体前缘壁面施加高频振动能显著地降低腔体内部的纯音噪声,为扩展开式空腔的工程应用奠定了良好的理论基础。     

内埋武器舱动态流动特性及降噪控制方法研究

流动经过武器舱会产生诸如边界层分离、剪切层失稳、气动噪声等一系列复杂流动特征,进而可能对舱内设备和结构造成破坏。本文以近真实复杂内埋武器舱为研究对象,通过高精度数值仿真获取内埋武器舱动态流动特性;根据流场特性,分析武器舱内噪声产生机理,提出了前缘扰流片、导波管以及前缘吹气三种流动控制方案。通过高速风洞试验,系统分析了舱门开度、内埋武器挂载等因素对武器舱内噪声水平的影响,并且对不同扰流装置的降噪效果进行了测试分析。结果表明：内埋武器舱内流动以小尺度湍流结构为主;前舱在舱门小开度时总声压级较高,随开度增加后舱总声压级增大,舱门开到一定程度后,舱内总声压级分布基本一致。舱内挂载武器减弱流动对各壁面的拍击强度,使得舱内各壁面总声压级降低。三种控制方式均能够抬高剪切层,减弱武器舱内的能量注入,进而对武器舱内总声压级产生一定的降噪效果。在本文研究范围内,前缘扰流片的降噪效果最为显著,降噪幅值达5 dB。     

飞翼布局飞机武器舱综合流动控制技术研究

 针对飞翼布局飞机武器舱高强度气动噪声、内埋武器分离安全性和全机开舱附加阻力问题,以高速风洞气动噪声及气动力测量为研究手段,开展了基于前缘扰流片激励的武器舱综合流动控制技术试验研究。试验结果表明:对于飞翼布局飞机,武器舱开启对飞机气动性能有较大影响,巡航状态下,武器舱打开后使全机阻力增加了60%~110%;武器舱气动噪声高达185 dB;内埋武器分离过程中存在较大的抬头力矩,不利于武器分离。通过在武器舱前缘布置扰流片对剪切层施加激励,可以有效改善武器舱流动特性。巡航状态下武器舱开舱附加阻力最多降低20%;武器舱噪声降低5~8 dB;同时可以有效改善内埋弹分离特性。     

边界层厚度对腔体气动声学特性影响数值模拟

为了研究来流边界层厚度对开式腔体气动声学特性的影响,基于分离涡模拟方法,计算了来流马赫数为2.0条件下,不同来流边界层厚度与腔体深度比时,长深比为5.88的腔体流动特性,得到了该腔体声压级的频谱特性.计算结果表明:随着来流边界层厚度增加,形成的剪切层稳定性增强,失稳后上下摆动幅度减少,失稳生成的大尺度涡与超声速主流的相互作用减弱,使得大尺度涡发展到腔体后缘时所具有的平动动能和转动动能降低.大尺度涡撞击腔体后缘在腔体内形成的气动噪声的声压级降低,最大减小幅度达7.5dB.同时各阶模态的频率也发生偏移,偏移值在100Hz左右.基于新的假设重新推导了Rossiter公式,明确了经验常数的物理意义,并以此解释了频率偏移现象.      

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。     

波浪前缘静子叶片对高速轴流风扇单音噪声的影响

航空发动机压气机噪声与大型风洞压缩机噪声问题日益凸显,相关研究机构迫切需求新的降噪手段以指导大型叶轮机械降噪设计。为了探索波浪前缘静子叶片在大型叶轮机械降噪中的应用前景,采用非定常雷诺平均Navier-Stoke（URANS）方程与FW-H方程混合方法对基准静子叶片和3种波浪前缘静子叶片的降噪效果进行了数值模拟,研究对象静子来流平均马赫数约为0.49,基于静子叶片弦长的雷诺数约为1 040 000。数值预测结果显示：波浪前缘静子叶片可以显著降低高速轴流风扇单音噪声,但会对风扇的气动性能产生少许不利影响;相较于基准静子叶片,3种波浪前缘静子叶片可以在1BPF时降低风扇入口声功率级0.97~1.5 dB,2BPF时降低风扇入口声功率级2.89~4.9 dB,3BPF时降低风扇入口声功率级3.32~4.72 dB;同时,总压比降低0.1%~0.8%,等熵效率降低0.1%~0.3%。进一步研究表明：不同频率下声源振幅和相位关系是风扇单音噪声强度的主要影响因素,总的来说,幅值的增加会降低声源强度,然而通过改变声源相位关系的降噪方式则需要兼顾径向模态与波长两个方面。     

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。     

高速车辆侧窗风振噪声仿真分析与控制

采用大涡模拟的计算方法,对某轿车在不同侧窗开启工况下风振噪声特性进行了数值仿真.揭示了侧窗风振噪声的产生机理,分析了不同侧窗开启方式下驾驶员耳旁声压级存在差异的原因.分析结果表明:后窗附近湍流强度弱,能量耗散少,开启时风振噪声最大;开启2个侧窗时,由于气流导出效应,可以有效地降低风振噪声.提出了使用扰流装置抑制风振噪声的措施,探讨了不同形状扰流装置对风振噪声影响.仿真结果表明:方形扰流装置的降噪效果最明显,最大降幅可达15dB.      

多孔前缘抑制圆柱-翼型干涉噪声实验

为了抑制圆柱-翼型干涉噪声,提出了仿生多孔前缘结构的降噪措施,并在0.55 m×0.4 m声学风洞中进行了实验验证。针对典型构型,对比确定了多孔金属泡沫降低圆柱-翼型干涉峰值噪声和中高频噪声的效果。3种不同ppi（pores per inch）值多孔金属泡沫的详细声学测量结果表明,所提出的多孔前缘结构能在翼型迎角为0°和10°时,分别降低最多4.10 dB和4.67 dB的圆柱-翼型干涉峰值噪声,且能明显降低峰值频率右侧的中高频噪声;多孔材料的占比越大、ppi值越小,整体降噪效果越好。     

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。     

带扰流片的二维翼型非定常计算及分析

通过求解二维非定常可压N-S方程,研究了带扰流片的NACA0012翼型绕流问题.首先计算了扰流片固定在三个不同张开角度时的流动,气动力系数变化规律和已有实验数据对比,结论一致.并着重描述了扰流片张开时,背风区涡形成、发展和脱落过程,分析了非定常气动力产生的机理.为了进一步探讨振动扰流片对主翼的影响,采用Chimera重叠网格技术处理多体相对移动问题,分析了振动频率和振动幅度两个因素对时均气动力的影响.     

基于FLUENT的不同喷管形状喷流噪声分析

通过简化发动机喷口模型,研究喷管的喷口形状改变后对喷气噪声的影响,针对三种模型,即普通、三角形锯齿以及半圆形锯齿喷管,通过FLUENT软件进行计算分析,并将计算得到的流场以及监测点的声压级进行比较,结果表明,锯齿形尾喷口形状对降低排气噪声较为理想,在最小程度影响出口速度的情况下能减少排气噪声2～6 dB。     

扰流片式推力矢量喷管气动特性数值模拟研究

为了满足工程应用中扰流片式推力矢量喷管控制率建模以及优化设计的需求,本文选取了三种几何外形的扰流片,并通过数值模拟手段,研究了扰流片几何形状对于轴对称喷管推力矢量气动特性的影响规律,提出了减小扰流片推力损失的设计方法。数值模拟结果表明,推力矢量角与推力损失系数都随着扰流片插入高度的增加而增加;对于矩形扰流片,可以通过增加扰流片宽度的方式减小推力损失,对于扇形扰流片,可以通过减小上圆弧圆心与扇形顶点距离的方式减小推力损失;在插入高度及面积一定时,对比不同形状的扰流片,弧顶矩形扰流片的推力矢量角及推力损失系数均为最大,圆形扰流片均为最小。     

空腔噪声及扰流板控制措施研究

空腔噪声及其相关技术的研究在现代战机研发中具有重要意义。本文采用数值模拟的方法计算了长深比L/D=6的空腔在亚音速下的流动,分析了其发声的机理,以及空腔不同位置处声压的幅频和总声压级特性,研究了在腔体前缘加装扰流板以抑制噪声的流动控制措施,并在此基础上进行了风洞试验验证,计算及试验结果表明：该方法效果良好,且结构简单、...     

风扇前传噪声及声衬特性研究

为了探究航空发动机的风扇噪声,通过试验研究了缩尺风扇前传噪声在不同转速工况下的频谱特性和周向模态特性,并对所设计的环形声衬降噪效果进行了验证。研究结果表明,基于试验测量数据分析得到的频谱特性和周向模态特性满足转静干涉噪声理论。随着转速的提高,风扇纯音噪声越显著,高转速工况下纯音噪声的能量约占风扇前传噪声的85%。在所研究的工况范围内,该声衬对目标频率及模态均有显著的降噪效果,且在85%转速工况时的纯音降噪效果最优,其主模态的传声损失约为59dB。该声衬对于设计频率附近的宽频噪声也有一定降噪效果,在85%转速时的宽频噪声平均传递损失约为3dB。     

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。     

分布式波浪前缘静子叶片对单级轴流风扇单音噪声影响的数值研究

为了适应逐年严苛的适航噪声标准，改善飞机噪声环境，突破航空发动机降噪技术的瓶颈，有必要开发新的降噪手段以指导叶轮机械降噪设计。本文采用URANS与FW-H方程混合方法，通过将波浪前缘构型运用在叶片流动损失较大、声源强度较强的部分后，进一步观察其气动性能和降噪效果。研究表明：与基准叶片相比，分布式波浪前缘静子叶片可以在1BPF（Blade Passing Frequency）时降低风扇入口声功率级0.67~1.9dB，2BPF时降低风扇入口声功率级1.87~4.18dB，3BPF时降低风扇入口声功率级2.4~6.8dB，同时，总压比最高提升0.027%，等熵效率最高提升0.28%。因此，分布式波浪前缘静子叶片在叶轮机械降噪方面有很好的运用前景。     

设计参数对扰流片操纵效能、铰链力矩和尾流湍流的影响

进行了确定某些设计参数对扰流片性能和扰流片流场特性影响的风洞试验。测量参数包括力、表面压力、在垂直扰流片上的油流谱以及用双分离膜风速计系统测量尾流压力、尾流速度和湍流参数。测量结果为扰流片各设计变量的影响，例如：在相同投影高度下扰流片的偏度、铰链线缝隙、下表面通风和下表面偏转片、扰流片的后缘切口和扰流片的孔隙率。铰链线缝隙、孔隙率、下表面通风和下表面偏转片可以用来减小控制死区趋势。对尾流湍流的研究表明某些改变可用来减小尾流中的峰值频率。     

锯齿单元对起落架/舱体耦合噪声抑制试验

当前中国民用飞机高速发展,噪声排放问题受到广泛关注。在飞机起降阶段,飞行高度较低且处于机场附近,其噪声直接影响到机场地面周围环境。该阶段内起落架噪声占比较大,成为研究的重点。此外,起落架在收放过程中,除自身脱落涡产生的噪声外,当起落架舱门开启时,舱体空腔内产生自持性振荡噪声,与起落架噪声一起形成更为复杂的起落架+舱体耦合噪声,直接影响到整个着陆系统噪声水平,因此研究起落架与舱体耦合噪声产生机理和抑制措施显得尤为必要。以简化的起落架及其舱体为研究对象,提出一种低马赫数（0.2Ma/0.25Ma）条件下,利用前缘锯齿扰流单元对起落架/舱体耦合噪声进行抑制的方法,并在0.55 m×0.4 m航空声学风洞进行试验验证。首先,从起落架及其舱体耦合噪声产生原因进行分析,分别明确起落架和舱体在耦合噪声各个频段的贡献作用。随后,在舱体空腔前缘安装锯齿扰流单元,以改变自由来流状态,验证降噪措施;同时采用参数化研究方法,研究锯齿扰流单元不同偏角对降噪效果的影响。最后,将起落架模型安装于舱体空腔内,分析锯齿扰流单元对耦合噪声的抑制能力。研究结果表明,锯齿形扰流单元对舱体腔体噪声与起落架/舱体耦合噪声具有明显降低作用,在本试验条件下,30°安装角最佳。预期成果可以应用于起落架/舱体耦合降噪。