航空发动机气动噪声控制中的声衬模拟稳定性分析

刘欣 黄迅Low Noise Aviation Lab

www.coe.pku.edu.cn/faculty/huangxun

2014.09

背景

适航噪声： FAA FAR 36 ； ICAO Annex 16

规定了一系列繁琐但清晰的声学测试流程；不是单独针对发动机噪声的适航标准。

2

发动机噪声源部件分解

风扇

压气机

燃烧 涡轮

射流

Nacelle and bifurcation

[1] Wikipedia. 3

必要性

[1]Eugene Kors, “Significantly lower community exposure to aircraft noise”, 2004.

此处只是适航角度结果。压气机、涡轮、燃烧噪声会影响研发成败！

x

u

n

4

5

风扇噪声进一步分解

[1] JASA, 2013c

6

风扇噪声进一步分解

[1] JASA, 2013c

PKUDuct

[1] Xun Huang, et al., AIAA J., 2008. 7

数值模拟的模型？

PKUDuct验证

8

近场预测结果（ LEE）和Wiener-Hopf理论解对比

[1] Munt, JFM, 1977.

和我们的 LEE数值解算器结果对比

半无限长圆管声传播Wiener-Hopf理论解

结论 1：我们的 LEE解算器准确，但是还需要时域声衬条件；结论 2 ： WH解算器更快，但是也需要扩展到声衬情况。

声衬问题•声衬是最有效的噪声控制手段。•声衬问题仍然是研究热点（ 20/260篇文章， 20th AIAA/CEAS

Aeroacoustic Conference 2014）。

声衬类型

安装位置

噪声指标

测试问题

加工问题

水槽问题

阻力影响

宽频性能

叶尖气动

数值模拟测试系统

边界条件

优化方法

如何验证

目标：常规声衬的优化设计方法（和工具） 9

声衬设计实现

表面材料？表面材料厚度？开孔率？孔直径？空腔深度？马赫数影响？温度影响？

怎么得到上述预测模型？ 10

声衬阻抗优化设计路线图

11

声衬模型

预测模型

拟合模型

计算模型

预测模型

SDOF

MDOF

新型声衬

计算模型

频域模型

时域模型

Tam

Long

Fung

Huang

优化方法

暴力算法 人工智能

时域数值计算中声衬阻抗边界条件

12

)()()(ˆ)(ˆ

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n

[1] Myers, M.K., JSV, 71(3), 1980.

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1000

如何避开卷积？

时域数值计算中声衬阻抗边界条件

13[1] Tam and Auriault, AIAA J. 34(5), 1996.

),/()( 110 XXiRZ

nn vXiXiRvZipi ˆ])([ˆ)(ˆ 12

10

nnn vX

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t

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2

10

是否数值稳定？

时域数值计算中声衬阻抗边界条件

14

2.5D LEE只能算单频，因此只需要单频时域 liner条件

时域数值计算中声衬阻抗边界条件

15[1] Tam and Auriault, AIAA J. 34(5), 1996.

怎么设计个计算稳定的时域阻抗边界条件？

为什么数值不稳定？

假设

背景知识

16[1] 任何控制教科书

那么当 可能不稳定，所以根据 Bode图可以判断。

例如 1 1( ) ( 1)

1c

aTsG s a

a Ts

时域数值阻抗边界稳定性分析

17

传递函数是什么？

时域数值阻抗边界稳定性分析

18[1] X. Huang, et al. JASA 2013.

即 则传递函数 P(s)为

时域数值阻抗边界稳定性分析

19[1] X. Huang, et al. IJA 2006.

边界条件怎么表达？

时域数值阻抗边界稳定性分析

20

时域数值阻抗边界稳定性设计

21[1] 任何控制教科书。

时域数值阻抗边界稳定性设计

22

如果无流动

如果有流动

校验

23[1]Rienstra, JEM, 2007.

校验

24[1]Rienstra, JEM, 2007.

25

应用： PKUDuct

集成到整体软件中的 solver界面

26

应用结果

27

应用结果

28

应用结果

实际算例

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实际算例

30

实际算例

31

32

总结1. 简要介绍了发动机风扇噪声传播和控制的计算模拟；2. 从控制角度的新的分析和设计阻抗边界条件的方法；3. 从数值角度提供了新方法、新视角。

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谢谢！

黄迅 huangxun@pku.edu.cnHTTP://www.coe.pku.edu.cn/faculty/huangxun