亚音速叶轮机械动静干扰噪声的研究

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动静干扰是叶轮机械内最主要声源之一,其形成的基本原理是转子尾迹与导叶相互作用,引起叶片表面压力脉动,进而产生辐射至远场的噪声。长期以来,叶轮机械动静干扰噪声问题是人们研究的热点及难点,本文基于快速畸变理论,将扰动速度分裂成涡波、声波及熵波的线性叠加,给出分裂变量线化欧拉方程,并采用高精度的时空数值格式和无反射边界条件发展了亚音速叶轮机械动静干扰噪声的计算程序(RSINoise)。同时为减少计算量,将控制方程转化为频域内计算。为理解动静干扰气动噪声涉及的相关问题,本文基于紧致差分格式另发展了一套直接数值模拟程序,可计算可压与不可压流动问题。为简化程序量,采用拟可压缩方法处理不可压缩问题。通过简单圆柱绕流及射流噪声问题验证了计算程序的精度,指出了低阶格式无法分辨出湍流中的微小波动结构。与中心差分方法类似,紧致差分格式是无耗散的,当数值非稳定性无限制地增长时,应用这类格式进行数值计算,若不施加有效的抑制数值非稳定性的措施,往往计算迭代几十个时间步就终止。产生这些数值非稳定性原因是多方面的,主要包括网格非均匀性,边界条件的简化,以及方程的非线性。消除数值非稳定性常用且较有效的方法是对计算结果采用高价(紧致)滤波器进行空间滤波。通过尝试不同滤波策略,提出了有效抑制数值非稳定性的措施。边界条件对预测动静干扰气动噪声的计算尤为重要。低马赫数流动中声学量往往比平均场量小几个数量级,边界上微小非物理波动将会极大地影响声压的计算结果。本文采用当前应用最多的两种无反射边界条件:吸收层边界条件及完全匹配层边界条件,对平面射流噪声及标准气动噪声问题进行了计算,分析这些边界条件的可靠性。结合线化欧拉方程及叶轮机械旋转模态基本理论,探讨了平面叶栅的动静干扰噪声问题。因RSINoise程序是三维的形式,为研究二维问题,采用大轮毂比假设,可将三维问题简化为二维问题。据此研究了不同几何和流动参数对噪声场的影响,并与前人的结果相对比,验证了程序的可靠性。应用模态分析技术研究贯流风机的旋转模态,因贯流风机几何模型复杂,为分析贯流叶轮动静干扰噪声,提出了独特的简化分析方案。通过计算贯流风机内的截止率,给出关于贯流风机离散噪声的性质讨论。应用复数域的方法表示模态的特征值,可有效分辨出非定常流动中的运动模态:对流、传播、衰减模态。研究了圆环管道内的模态分布规律,借此分析了涡声耦合的程度。计算结果表明均匀场中对流模态几乎不含有压力,而声传播模态几乎没有涡成份,只是在管壁上两者才相互耦合。而在旋流场中,由于受到离心力和科氏力的作用,涡和声相互耦合,模态中都分别含有涡和压力成份。通过计算标准问题验证了计算程序的可靠性,故本文的计算程序可用来进一步分析环列叶栅的气动和声学响应问题。不同背景场中三维叶栅与声波或涡波相互干扰动的气动及声学响应差异较大,分析结果表明旋流改变了叶片表面非定常气动力、声传播模态传播数、前传及后传声压幅值。另外,研究了不可缩的动静干扰噪声的问题,分析动静干扰对管壁的影响,指出管壁上压力脉动规律与流场中传播模态的运动特征有直接关系。采用均相湍流能量谱表示静子上游湍流,计算动静干扰宽频噪声。因均相湍流谱并不是湍流本质特征,故本文根据高精度在数值计算结果,提出本征特征分解法构造非均相湍流能量谱函数作为研究宽频噪声源的有效方法。通过研究平面射流的大尺度的相干结构,为进一步研究复杂叶轮机械转子尾迹打下基础。由于对湍流本质的理解还未彻底,故还须要进一步发展更精确的宽频噪声模型。当前对叶轮机械宽频噪声在研究,还主要依赖于实验方法。本文最后采用实验方法研究了贯流风机宽频噪声源的特性。采集边界层压力脉动,分析贯流风机内的主要声源。本文受到国家自然科学基金项目(No.50676035)和教育部博士点基金项目(No.20060487036)的资助。
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