风扇管道声模态识别的实验及数值模拟研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：风扇管道声模态识别的实验及数值模拟研究作者：王良锋学科专业：航空宇航科学与技术指导教师：乔渭阳2017年10月ExperimentalandNumericalStudyonDuctModeIdentificationofFanNoiseByWangLiang-fengUndertheSupervisionofProfessorQiaoWei-yangADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoft

2、herequirementForthedegreeofDoctorofAerospaceScienceandTechnologyXi’anP.R.ChinaMay2017摘要摘要随着民用航空发动机涵道比越来越大，风扇噪声已经成为航空发动机的一个重要噪声分量。因此，现代航空发动机任何有效的噪声控制技术必须包括对风扇噪声的控制和降低。而随着航空发动机及其风扇降噪设计技术的不断发展，进一步降低发动机噪声，就需要深化和细化对风扇噪声产生机理、传播过程等的深刻认识。特别是，对风扇进/排气管道内声模态结构进行精细化分解和识别，已经成为发动机短舱高效吸声衬垫设计和低噪

3、声风扇气动-声学一体化设计等的重要基础。本文针对风扇管道声模态识别和预测等开展了系统的理论和实验研究，论文的主要研究工作和主要成果是：（1）创建了风扇单音噪声和宽频噪声前传和后传模态波的识别测量方法，开发了风扇单音噪声和宽频噪声管道声模态识别测量的数据处理软件。基于该方法，本文对某高负荷单级轴流风扇的单音噪声和宽频噪声管道声模态的结构和传播基本规律进行了实验测量，主要分析了单音噪声管道声场结构和宽频噪声的声场相关性，并研究了真实风扇宽频噪声不同模态之间的相关性，指出风扇宽频噪声不同模态之间存在一定的相关性，而且主要集中在50Hz以下的低频范围内。本文的相

4、关工作深化了对风扇噪声管道声场结构的认识，为风扇噪声管道声场实验测量奠定了坚实的理论基础，获得了相应的技术储备。（2）建立了风扇单音噪声和宽频噪声管道声模态流场/声场混合计算方法，并且开发了相应的声学计算软件。该方法在风扇噪声源的非定常流场数值模拟中，对风扇结构没有任何形式的简化，可以将声场计算结果与风扇叶片详细设计参数关联起来，而且由于采用了Lighthill声类比理论，该预测模型并不需要耗费大量计算资源。通过与实验测量结果、经验模型预测结果以及解析模型预测结果等进行对比，表明：本论文发展的混合计算方法和数值计算软件，可以准确捕获转静间距、风扇转速、叶

5、尖间隙等风扇详细设计参数变化对单音噪声和宽频噪声强度的影响。（3）实验和理论分析了管道声模态的分布特征，结果表明，声能量在模态上的分布特征与声波频率、传播方向以及管道几何形状密切相关。模态数的选取范围会极大地影响风扇宽频噪声的计算结果，因此在风扇宽频噪声管道声模态实验测量和数值计算过程中，要包含全部传播模态的影响。通过数值计算方法深入分析了风扇噪声源主要流场区域分布规律，结果表明，静子叶片前缘附近的声源主要影响0～3kHz频率范围内的噪声强度；而静子叶片尾缘附近的声源主要是由边界层内小尺度湍流脉动引起的，主要影响3kHz以上频率范围内的噪声强度。（4）深

6、入分析了叶尖间隙和静子叶片倾斜/掠型等设计参数对风扇气动性能以及单音噪声影响的物理机制。论文研究发现，风扇转子叶尖间隙增大了转子出口靠近机匣位置的尾迹强度和尾迹宽度，但是对其相位分布影响很小，提高了风扇单音噪声级。论文I西北工业大学博士学位论文研究工作表明，在分析静子叶片倾斜和后掠的降噪机制时，要包含管道特征函数与声源的耦合过程，并且要考虑真实风扇的尾迹特性及尾迹向下游的的输运过程。风扇静子叶片负倾斜会增大噪声级，而静子叶片正倾斜的降噪效果与单音噪声谐波阶次、传播方向等因素相关，谐波阶次越高其降噪效果越好。静子后掠间接增大了到达静子叶片前缘位置处尾迹的倾

7、斜角度，并且降低了与静子叶片干涉的尾迹强度，因此其降噪效果比静子叶片正倾斜好。风扇静子叶片倾斜和后掠组合设计方案由于结合了倾斜和后掠两者的优点，降噪效果最好，而且对风扇气动性能影响很小。关键词：声模态识别；声类比；混合模型；传声器阵列；单音噪声；宽频噪声；叶尖间隙；倾斜/掠型IIAbstractAbstractWiththeadventofhighbypassratioturbofanengines,thefanhasbecomeamajorsourceofmoderncommercialaircraftpropulsionnoise.Therefore

8、,anysignificantreductioninnoiseproducedb