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原文传递高/低速流场中翼型前缘宏观阵列结构宽频噪声特性分析

论文题名：	高/低速流场中翼型前缘宏观阵列结构宽频噪声特性分析
关键词：	NACA0012翼型叶片;流动控制;气动噪声;数值模拟
摘要：	叶轮机械转子气动噪声是人们日常工作生活中主要噪声源之一，尽管叶轮机械外形尺寸、工作状态都有较大差异，但其主要发声单元均是翼型叶片，尤其是其前缘、后缘部位，因此围绕翼型叶片的气动噪声产生和降噪机制也成为普遍关注的问题。本文受到座头鲸头部凸包结构特征启发，在NACA0012翼型叶片前缘设置阵列扰流结构，在不同来流速度条件下研究其对叶片气动宽频噪声的影响机制。首先采用通用标准构型包括串列双圆柱、圆柱-翼型干涉噪声结构，以及标准单翼型自噪声结构实验数据，对所采用的开源气动声学比拟噪声预测耦合算法进行验证；随后结合低速（20~30m/s）风洞实验数据，采用模拟方法分析前缘阵列结构翼型降噪机制；最后在高速来流（0.7Ma）条件下，对阵列结构翼型叶片的气动噪声特性进行研究。主要研究内容如下：　　（1）（算法验证）基于开源OpenFOAM（OpenSourceFieldOperationandManipulation）流体动力学计算平台，构建大涡模拟（LargeEddySimulation，LES）-FW-H（FfowcsWilliams-Hawkingsanalogy）可穿透面声学比拟噪声混合预测数值计算模型。采用已有串列双圆柱、圆柱-翼型干涉噪声结构以及标准单翼型自噪声结构实验数据，对混合数值预测模型方法进行准确性验证，通过对比结果可知该模型可以有效预测远场监测点噪声频谱特征。　　（2）在平板结构上研究阵列扰流结构的几何参数对壁面边界层内部流动特性的影响。将阵列扰流结构中方柱的边长，高度以及排数作为主要因素，进行DOE（Designofexperiment）参数试验分析，确定阵列扰流结构的几何参数对内部流动影响的主次顺序为高度＞排数＞边长。根据以上几何参数的影响关系，指导并确定翼型叶片前缘阵列扰流构型的设计形式及几何参数。　　（3）在NACA0012翼型叶片的前缘位置上下表面对称设置阵列扰流结构作为阵列扰流结构翼型叶片。基于LES/FW-H声学比拟混合预测模型，对低速来流（20~30m/s）及攻角0°的两种翼型叶片进行实验结果对比验证，结果均表明翼型前缘阵列扰流结构可以降低流场宽频噪声，随后通过翼面边界层流动演变特征进一步阐明阵列扰流结构的降噪机理。结果表明，翼型前缘阵列扰流结构显著削弱了叶片表面展向压力源的相干性，有效促进流场中流体转捩现象的发生；并且随着来流速度的增大，阵列结构翼型叶片表现出良好的降噪效果；随着阵列扰流结构中方柱高度的增加，其降噪效果逐渐显现出来；而阵列扰流结构中方柱的排数变化对于整体降噪影响效果很小。　　（4）采用高速可压缩流动-可穿透FW-H声学比拟混合噪声方法，探讨高速来流（0.7Ma）条件下，阵列结构翼型气动宽频噪声特性。发现在低速流场中具有降噪效果的阵列结构翼型远场宽频噪声峰值明显高于光滑翼型，即在高速流场下该阵列构型不能有效降低气动噪声，而且前缘阵列结构翼型并没有像低速流场中一样明显降低壁面边界层内展向监测点相干性；但是，通过翼型壁面和翼型附近流场区域不同包面远场检测点噪声值频谱分布可知，高速条件下翼型尾迹区域体声源噪声值已经明显高于对应频率下壁面面声源。
作者：	孟晋
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	沈淳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023