发动机风扇噪声进气道传播计算及优化.pdf

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1、第13卷第13期2013年5月科学技术与工程Vo1．13No．13May20131671—1815(2013)13—3663-07ScienceTechnologyandEngineering@2013Sci．Tech．Engrg．航空航天发动机风扇噪声进气道传播计算及优化许尧宋文滨邱羿(上海交通大学航空航天学院，上海200240)摘要使用计算气动声学(CAA)方法，分析了典型涡扇发动机风扇噪声在进气道的传播特性，并使用Kriging模型对其外形进行了声学优化。选取典型发动机进气道外形，利用CA

2、A方法求解2．5D线化欧拉方程。分析了发动机进气道近场和远场的噪声水平，空间离散使用6阶紧致格式，时间推进使用4／6阶Runge．Kutta法，计算网格采用二维结构网格。在对典型发动机进气道声传播问题的准确计算的基础上，通过参数化建模、Kriging模型和遗传算法研究了发动机进气道外形对风扇噪声传播的影响，可以作为进一步气动特性和声学特性联合优化设计，以及降噪设计的基础。关键词气动声学CAA进气道Kriging方法优化设计中图法分类号V228．2；文献标志码A噪声是大型客机设计的关键指标之一。为

3、了的远场积分解，现在已经成为解决风扇、螺旋桨、压满足适航要求，大型客机的设计在考虑性能要求的气机转子的噪声远场辐射问题的有效工具。同时，需要针对噪声进行优化。随着大涵道比发动在声传播问题中，数值求解格式的色散关系必机技术的发展，发动机的噪声水平已经有了明显改须与偏微分方程本身的色散关系保持一致，这样得善。但是发动机噪声仍然是大型客机的主要噪声到的数值解才能模拟偏微分方程的理论解。Hixon源之一，其中风扇噪声成为飞机起飞着陆阶段的主提出新的6阶紧致格式在计算中把原始的6阶紧致要声源之一。风扇进气

4、和排气噪声分别在飞机降格式所需的三对角矩阵简化成了两个相互独立的落和起飞阶段起着主导作用，和飞机机体噪声一并二对角矩阵，大大减少了计算量。Runge．Kutta格是飞机噪声的主要成分。式属于多步格式，Tam提出低耗散低色散Runge．Zhang利用柱坐标变换和Fourier变换将3D线Kutta法(LDDRK)选择系数的原则就是在不破坏计化欧拉方程(LinearizedEulerEquations，简称LEE)算稳定性的前提下，保持最小的色散和耗散误简化成2．5DLEE方程组⋯，可以使用2D网格

5、来求差。在LDDRK格式中，相应的时间步长可以取解本质上是3D的问题，得到发动机近场声传播的得大一些，这将会大大提高计算的效率。每一步使解。这个方法没有从根本上改变线化欧拉方程的用不同系数的双步LDDRK格式可以获得更小的色数值求解方式，所以求解的代码可以具有和求解二散和耗散误差，同时可以保持更高的计算精度。维线化欧拉方程类似的简单结构。本文的主要贡献在于将CAA方法与基于Krig．FfowcsWilliams和Hawkings基于Lighthill理ing模型的优化设计方法结合起来，提供了发动

6、机进论，应用广义函数法，得到FfowcsWilliams—气道声学优化的一种可能性。本文得到的优化结Hawkings方程(简称FW-H方程)。FW．H方程果证明了通常用于气动优化设计的Kriging方法与考虑了运动物体固壁对声音的影响，获得了声传播CAA结合之后也可以在声学优化设计中取得良好的效果。并为更详细的气动和噪声联合优化提供2013年1月8日收到，2013年1月28日修改了基础。第一作者简介：许尧(1986一)，男，山东人。硕士研究生。E．mailxuyao~tu@gmail．como科

7、学技术与工程13卷1CAA的控制方程和数值方法=0，=0(6)滑移固壁边界条件的物理意义是沿垂直固壁1．1控制方程方向的速度为0，同时沿垂直固壁方向的压力导数声学传播问题可以由线化Euler方程(LEE)描为0，这种边界条件可以很好地适应线化欧拉方程述。发动机风扇和喷流产生的扰动可以看成是很的计算。多个单一频率的组合，把这些扰动写成一系列Fou一=本文将发动机的声传播简化为轴对称问题，在，rier级数，并且考虑坐标变换{【y：y二维计算中也必须考虑轴对称边界条件。在对称轴上需要设置如式(7)。=

8、ytan，3，，在柱坐标(，y，0)下，LEE方程可以变换成2．5D=0，=0(7)onLEE的形式在轴对称边界条件中，对称轴上的法向速度为++竺±+0，对称轴上的所有物理量的法向导数也为0。OtOxOy在物理计算域的外部边界使用无反射边界条÷1，一V。0(1)件，声波在缓冲区内部受到阻尼作用，并最终降到0，缓冲区内的网格点的物理量处理如下所示，以压Ou一+。娑++一OUo+—：0c3t。。+P—力为例Oxo(2)P”=(1P(8)、L，+。粤+o+++：0上标表示方程左端的压力项是每一步数值计