基于伴随方法的涡扇发动机涵道的气动噪声优化设计研究

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1、ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorSTUDYINGOFAEROACOUSTICOPTIMIZATIONDESIGNFORTURBOFANENGINEINLETANDBYPASSDUCTBASEDONADJOINTMETHODAuthor：ShengQiuAdvisor：Prof.HongLiuMajor：FluidMechanicsResearchField：computationalaeroacousticsa

2、ndnoiseoptimizationSchoolofSchoolofAeronauticsandAstronauticsShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaDecember8,2013万方数据万方数据万方数据上海交通大学博士学位论文摘要基于伴随方法的涡扇发动机涵道的气动噪声优化设计研究摘要飞机噪声问题对持续增长的航空运输业提出一个重要的问题。其噪声级的大小直接关系到飞机适航签证的获取。这对于我国正在研制的民用客机来说，无疑是巨大的挑战。风扇噪声是现代民用飞机在起飞和降落状态下的主要声

3、源。通过优化发动机涵道外形来降低风扇噪声是一种行之有效的方法。伴随方法具有梯度计算几乎与设计变量数目无关的显著优势,较好地克服了气动噪声优化中计算开销大的问题,使得进行多参数低噪声优化设计成为可能,有着很大的研究价值和广阔应用前景。然而，伴随方法用于发动机涵道减噪优化还处于初步探索阶段，有许多科学问题亟需解决。本文首次提出并发展了基于连续伴随方法的气动噪声优化设计理论，突破了一般优化算法在多设计变量下的计算效率低的瓶颈问题。研究与发展了非定常伴随方程的高阶有限差分数值求解方法及相应梯度公式的数值求解方法。在此基础上，结合本文发展的减噪设

4、计理论，针对进气道和外涵道减噪问题，分别提出适合各自问题的减噪设计算法，开展了进气道和外涵道减噪问题研究，有效降低了从涵道辐射到远场的噪声，解决了涵道的多参数设计计算量大的难题。从而，为涡扇发动机涵道多参数减噪设计探索出一条高效可靠的新路。论文的主要研究内容如下：第I页万方数据上海交通大学博士学位论文摘要（1）研究了单音噪声在涡扇发动机进气道中传播和远场辐射过程。通过求解二维轴对称线性欧拉方程(2.5DLEE)研究了单个傅立叶声模态的近场传播过程，然后采用FW-H积分计算远场的声压级。发展了高精度进气道噪声计算工具，通过NASAJT15

5、D静态测试实验的数据验证其正确性，然后详细探究了典型进气道噪声传播机理，得出了衍射和折射效应是两个影响声波传播方向的机制。而且衍射效应是更主要的影响因素。（2）研究了单音噪声在涡扇发动机外涵道中传播和远场辐射过程。由于外涵道流体与外部流体之间出现剪切层，使得无法直接使用频域有限元、无限元和LEE方法。本文通过求解声扰动方程（2.5DAPE）来模拟近场声传播，解决了计算放大的问题，最后利用FW-H积分得到远场指向性特征。发展了高精度外涵道噪声预测工具，其正确性通过使用TURNEX项目的外涵道实验数据得到验证。（3）首次系统地提出了基于连续

6、伴随方法的气动噪声优化设计理论。提出了合适的减噪设计的目标函数及约束条件，发展了目标函数取在积分线上的减噪优化方法。在计算坐标系下详细推导了LEE的非定常伴随方程，伴随边界条件以及关键的梯度表达式。针对伴随方程的数学性质,研究与发展了伴随方程的高阶有限差分数值求解方法及相应梯度公式的数值求解方法,较好解决了非定常伴随方程和梯度公式的数值求解问题。利用该优化方法，可一次性求出所有设计变量的梯度值，从而大大提高了减噪设计的效率。(4)提出了基于连续伴随理论和2.5DLEE方程的进气道减噪设计算法。推导了2.5DLEE的伴随方程及边界条件,并

7、给出了最终梯度求解形式。通过利用网格扰动技术,避免了优化设计过程中多次生成计算网第II页万方数据上海交通大学博士学位论文摘要格的问题,获得了度量矩阵变分来进行梯度求解。使用Hicks-Henne函数来描述设计变量扰动对进气道表面的影响。优化设计过程使用拟牛顿优化算法,在不同背景流条件和噪声模态下，成功地进行了高达50个设计变量的典型进气道的减噪问题研究，取得显著的减噪效果。(5)提出了基于连续伴随理论和2.5DAPE方程的外涵道减噪设计算法。导出了2.5DAPE的非定常伴随方程及相应物面边界条件以及梯度表达式,应用高精度有限差分法对其进

8、行了有效的数值求解。基于最速下降算法,对含实验数据的TURNEX外涵道，在不同背景流条件和噪声模态下，成功进行了含48个设计变量的减噪设计。最优外形取得显著减噪效果。关键词：伴随方法涡扇发动机进气道外涵道减