亞音速葉輪機械動靜干擾噪聲的研究.pdf

1、動靜干擾是葉輪機械內(nèi)最主要聲源之一，其形成的基本原理是轉(zhuǎn)子尾跡與導(dǎo)葉相互作用，引起葉片表面壓力脈動，進而產(chǎn)生輻射至遠場的噪聲。長期以來，葉輪機械動靜干擾噪聲問題是人們研究的熱點及難點，本文基于快速畸變理論，將擾動速度分裂成渦波、聲波及熵波的線性疊加，給出分裂變量線化歐拉方程，并采用高精度的時空數(shù)值格式和無反射邊界條件發(fā)展了亞音速葉輪機械動靜干擾噪聲的計算程序(RSINoise)。同時為減少計算量，將控制方程轉(zhuǎn)化為頻域內(nèi)計算。
　　

2、 為理解動靜干擾氣動噪聲涉及的相關(guān)問題，本文基于緊致差分格式另發(fā)展了一套直接數(shù)值模擬程序，可計算可壓與不可壓流動問題。為簡化程序量，采用擬可壓縮方法處理不可壓縮問題。通過簡單圓柱繞流及射流噪聲問題驗證了計算程序的精度，指出了低階格式無法分辨出湍流中的微小波動結(jié)構(gòu)。與中心差分方法類似，緊致差分格式是無耗散的，當(dāng)數(shù)值非穩(wěn)定性無限制地增長時，應(yīng)用這類格式進行數(shù)值計算，若不施加有效的抑制數(shù)值非穩(wěn)定性的措施，往往計算迭代幾十個時間步就終止。產(chǎn)生

3、這些數(shù)值非穩(wěn)定性原因是多方面的，主要包括網(wǎng)格非均勻性，邊界條件的簡化，以及方程的非線性。消除數(shù)值非穩(wěn)定性常用且較有效的方法是對計算結(jié)果采用高價（緊致）濾波器進行空間濾波。通過嘗試不同濾波策略，提出了有效抑制數(shù)值非穩(wěn)定性的措施。
　　 邊界條件對預(yù)測動靜干擾氣動噪聲的計算尤為重要。低馬赫數(shù)流動中聲學(xué)量往往比平均場量小幾個數(shù)量級，邊界上微小非物理波動將會極大地影響聲壓的計算結(jié)果。
　　 本文采用當(dāng)前應(yīng)用最多的兩種無反射邊界條

4、件：吸收層邊界條件及完全匹配層邊界條件，對平面射流噪聲及標準氣動噪聲問題進行了計算，分析這些邊界條件的可靠性。
　　 結(jié)合線化歐拉方程及葉輪機械旋轉(zhuǎn)模態(tài)基本理論，探討了平面葉柵的動靜干擾噪聲問題。因RSINoise 程序是三維的形式，為研究二維問題，采用大輪轂比假設(shè)，可將三維問題簡化為二維問題。據(jù)此研究了不同幾何和流動參數(shù)對噪聲場的影響，并與前人的結(jié)果相對比，驗證了程序的可靠性。應(yīng)用模態(tài)分析技術(shù)研究貫流風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)模態(tài)，因貫流風(fēng)機

5、幾何模型復(fù)雜，為分析貫流葉輪動靜干擾噪聲，提出了獨特的簡化分析方案。通過計算貫流風(fēng)機內(nèi)的截止率，給出關(guān)于貫流風(fēng)機離散噪聲的性質(zhì)討論。
　　 應(yīng)用復(fù)數(shù)域的方法表示模態(tài)的特征值，可有效分辨出非定常流動中的運動模態(tài)：
　　 對流、傳播、衰減模態(tài)。研究了圓環(huán)管道內(nèi)的模態(tài)分布規(guī)律，借此分析了渦聲耦合的程度。計算結(jié)果表明均勻場中對流模態(tài)幾乎不含有壓力，而聲傳播模態(tài)幾乎沒有渦成份，只是在管壁上兩者才相互耦合。而在旋流場中，由于受到離心

6、力和科氏力的作用，渦和聲相互耦合，模態(tài)中都分別含有渦和壓力成份。通過計算標準問題驗證了計算程序的可靠性，故本文的計算程序可用來進一步分析環(huán)列葉柵的氣動和聲學(xué)響應(yīng)問題。
　　 不同背景場中三維葉柵與聲波或渦波相互干擾動的氣動及聲學(xué)響應(yīng)差異較大，分析結(jié)果表明旋流改變了葉片表面非定常氣動力、聲傳播模態(tài)傳播數(shù)、前傳及后傳聲壓幅值。另外，研究了不可縮的動靜干擾噪聲的問題，分析動靜干擾對管壁的影響，指出管壁上壓力脈動規(guī)律與流場中傳播模態(tài)的運

7、動特征有直接關(guān)系。
　　 采用均相湍流能量譜表示靜子上游湍流，計算動靜干擾寬頻噪聲。因均相湍流譜并不是湍流本質(zhì)特征，故本文根據(jù)高精度在數(shù)值計算結(jié)果，提出本征特征分解法構(gòu)造非均相湍流能量譜函數(shù)作為研究寬頻噪聲源的有效方法。通過研究平面射流的大尺度的相干結(jié)構(gòu)，為進一步研究復(fù)雜葉輪機械轉(zhuǎn)子尾跡打下基礎(chǔ)。由于對湍流本質(zhì)的理解還未徹底，故還須要進一步發(fā)展更精確的寬頻噪聲模型。當(dāng)前對葉輪機械寬頻噪聲在研究，還主要依賴于實驗方法。本文最后采用