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。與中心差分方法類似，緊致差分格式是無耗散的，當數(shù)值非穩(wěn)定性無限制地增長時，應用這類格式進行數(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。
　　 本文采用當前應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，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。應用模態(tài)分析技術研究貫流風機的旋轉(zhuǎn)模態(tài)，因貫流風機

5、幾何模型復雜，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。通過計算貫流風機內(nèi)的截止率，給出關于貫流風機離散噪聲的性質(zhì)討論。
　　 應用復數(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響應問題。
　　 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響應差異較大，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，為進一步研究復雜葉輪機械轉(zhuǎn)子尾跡打下基礎。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