基于流场∕声场混合模型的叶轮机械单音噪声研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252014V01．35No．92481—2490ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaaedu．crlhkxb@buaaeduCR基于流场／声场混合模型的叶轮机械单音噪声研究王良锋，乔渭FEl*，纪良，仝帆西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072摘要：基于叶轮机械三维非定常黏性数值模拟(URANS)与管道内叶片排气动噪声声类比理论(DBAA)，成功地发展了叶轮机械单音噪声混合预测模型(URANS／DBAA)，该模型能够实现叶轮机械叶片详细设计参数与噪声辐射强

2、度的关联。由于采用了Lighthill声类比理论，使得该模型并不需要耗费大量计算资源。基于uRANs／DBAA混合模型，对某单级轴流风扇的单音噪声及其噪声源分布特性进行了详细的计算分析，结果表明，该混合模型能够准确模拟叶轮机械单音噪声，实现了对叶轮机械单音噪声基本规律的分析和认识。关键词：单音噪声；声类比；混合模型；叶轮机械；轴流风扇中图分类号：V23l文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)09—248110商用飞机的噪声问题一直是社会关注的焦点，其中航空发动机是主要的噪声源。航空发动机噪声包括单音噪声和宽频噪声，对于亚声速叶轮机械而言，单音噪声是声场的一个重要分量。50多

3、年来，由于各种发动机降噪技术的使用，飞机噪声有了很大的降低[1]。采用目前的航空发动机降噪技术，降低发动机噪声的发展潜力已经不大。为了适应未来更加严格的飞机适航噪声标准，满足人类对超安静飞机设计的需要，必须在航空发动机设计源头进行降噪处理。这就要求相应的噪声预测模型能够将噪声辐射强度与航空发动机的详细设计参数关联起来。对于叶轮机械单音噪声的预测，目前主要有4种方法和模型：经验模型L2。7]、分析模型[8‘1⋯、全数值模拟法口1。141以及混合模型E15-19]。经验模型简单快速，适用于噪声预测，但是模型简单，关联的参数有限，使得其不具备开展发动机部件详细降噪设计的能力；分析模型快速准确，适

4、用于叶轮机械单音噪声的参数化研究，但是该模型具有很多假设条件，不能准确模拟真实细节结构变化对噪声的影响，不适用于发动机部件设计阶段的降噪研究；全数值模拟强调的是对湍流场和远场声场都采用数值计算方法，该方法对声源和声传播模拟最为精细，但是需要巨大的计算资源，目前还不适用于工程应用。混合方法有两种：一种是等价源法，一种是声学边界法。声学边界法尽管精度高[2⋯，但是对数值模拟的计算精度以及网格尺度要求很高，同时还要解决一系列难题(如交界面处理以及无反射边界处理等)[2卜22]，这对于工程设计而言是不适用的；相比于声学边界法，等价源法使用计算流体力学(CFD)方法求解源域并给出声源信息，结合气动噪

5、声管道声类比理论，对叶轮机械的单音噪声进行预测。这种方法对叶轮机械结构没有任何形式的简化，可以将声场计算结果收稿日期：2013·09-30；退修日期：2014—01—22；录用日期：2014-03．06；网络出版时间：2014．04．0811：21网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—689320140014．htmI基金项目：国家自然科学基金(51276149)*通讯作者Tel：029·88482195E-mail：qiaowy@nwpuedu．cn韵角箍武

6、WangLF．QiaoWY．JiL。etalTurbomachineryto

7、nalnoisestudybased017flow-field／acoustic-fieldhybridmodelfJ)ActaAeronauticaetAstronauticaSin／ca．2014．35(9)：2481-24907壬良锋．乔漏耗，纪良，等。基于流场，声场混合模型昀叶轮机械单音噪声研究[∞航空学报．2014．35(9)：2481-2490．航空学报Sep．252014V01．35No9与发动机部件详细设计参数关联起来，而且由于采用了Lighthill声类比理论，该模型并不需要耗费大量计算资源，因而适用于未来低噪声航空发动机设计中的叶片详细设计。本文利用叶轮机三维非定常黏性

8、CFD数值模拟(URANS)获取叶片表面非定常载荷力，以此作为声源输人参数，结合管道内叶片排气动噪声声类比理论(DBAA)，发展了叶轮机械单音噪声混合预测模型(URANS／DBAA)，并且利用该模型对叶轮机械单音噪声的基本规律进行了分析和研究。1模型的建立叶轮机械单音噪声流场／声场混合计算模型以Goldstein管道内气动噪声基本方程[23]——声类比基本方程为基础，通过将叶轮机非定常流场数值模拟结果与Goldstein