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原文传递旋转叶片气动噪声时域预测方法及识别技术研究

论文题名：	旋转叶片气动噪声时域预测方法及识别技术研究
关键词：	旋转叶片;气动噪声;涡方法;涡声方程;时域边界元方法;快速多极展开方法;阵列优化;波束成形
摘要：	旋转叶片的应用非常广泛，其共同的特点是在工作过程中会产生气动噪声，而且噪声的产生机理非常复杂。由于叶片种类繁多、结构差异很大，产生的噪声源缺乏共性，因此准确地预测、识别各种噪声源是旋转叶片噪声控制和低噪声设计的关键。现在常用的气动噪声混合计算方法效率低，对计算资源要求非常高，而且准确度较差。本文为了满足叶片气动噪声快速计算的需求，以研究提高流体噪声源计算效率、准确获得复杂几何形状的格林函数、提高大规模声场计算速度、识别旋转叶片的声源分布几类技术难题为目标，深入开展了旋转叶片气动噪声预测和噪声源识别技术的研究。主要的研究工作和创新如下：　　(1)为了克服经验和半经验公式准确度低和适应性差的缺点，指出准确的气动噪声预测需要完整地计算流场和声场，并将涡声方程引入了流场声源数值计算领域。结合FWH方程和Farassat公式详细分析了单极子、偶极子和四极子声源的声辐射量级。在此基础上提出了快速预测旋转叶片主要噪声源—厚度噪声和稳态载荷噪声的简化计算方法，并通过在叶片内部布置镜像声源计算表面对声传播的散射作用。仿真结果和两个实验的研究数据验证了提出方法的有效性和准确性。　　(2)鉴于通过流场CFD计算结果提取噪声源计算量大、效率低，结合涡声方程，将离散涡方法的涡量场模拟结果用于流场噪声源计算。分析了涡元的布置和物体表面诱导速度之间的关系，讨论了涡元间距和表面曲率半径对诱导速度计算误差的影响。针对难以获得实际叶型格林函数的问题，提出了采用共形变换先将实际叶型转化成映射平面上的单位圆，再由圆周外部的紧致格林函数得到翼型映射格林函数的方法。建立了完整的二维叶型绕流流场噪声计算的方法，用于叶型表面载荷噪声和尾流中紊流噪声的计算。NACA0018翼型气动噪声的计算结果和混合方法计算结果以及测量数据验证了提出方法的有效性和可行性，而且计算方法的准确性和计算效率高于混合计算方法。　　(3)将粘性涡方法的涡量场模拟结果用于计算流场噪声源。考虑到通过迭代方法确定物体表面涡片强度时需要进行多次大规模矩阵乘法运算，为了提高效率，将自适应边界元方法引入涡片计算。基于Blasius方程的数值解提出一种简单高效的物面涡粒子生成方法，降低了对物体表面网格的依赖性。将嵌套网格技术引入涡粒子重分配方法中，降低了区分物体表面内外重分配网格节点的工作量，减小了重分配网格和物体表面不重合产生的涡量分配误差。针对难以获得复杂物体表面格林函数的问题，采用卷积边界元方法计算总声场，避免了对时域格林函数的依赖，提高了时域边界元方法中时间推进方法的稳健性。将快速多极展开方法引入大规模声场计算中，建立了完整的三维旋转叶片气动噪声的计算方法，仿真和实验结果表明提出的方法具有比较全面计算叶片多种噪声源的能力，而且和混合计算方法相比在计算效率和准确度方面具有优势。　　(4)为了实现旋转条件下叶片表面噪声源的识别，以波束成形方法为基础，分析了麦克风阵列性能参数之间的关系，提出了基于控制域划分的宽频螺旋麦克风阵列优化设计的方法。鉴于气动噪声测量过程中难以准确控制麦克风阵列和旋转叶片的相对位置，基于梅林变换快速计算宽带模糊函数，结合运动声源模型，建立了声源运动参数的估计方法。将sinc插值函数用于声源信号重构，采用广义互谱成像函数建立了时域波束成形旋转声源的定位方法。基于旋转单极子格林函数的展开式，详细分析了旋转声源多普勒效应的产生原因，给出了测量信号的补偿方法，建立了频域波束成形旋转声源的定位方法。仿真和实验结果表明发展的旋转声源定位识别方法能够有效跟踪旋转叶片表面的运动声源。　　综上所述，本文系统地研究了旋转叶片气动噪声的数值计算方法和噪声源的定位识别技术，研究结果有助于深入理解叶片气动噪声的产生机理，能够用于指导旋转叶片的低噪声优化设计。
作者：	顾信忠
专业：	车辆工程
导师：	李舜酩
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京航空航天大学
学位年度：	2020