文档介绍：项目名称:
大型客机主要气动噪声机理及先进控制方法研究
首席科学家:
孙晓峰北京航空航天大学
起止年限:
-
依托部门:
中华人民共和国工业和信息化部
一、关键科学问题及研究内容
大型客机的气动噪声产生机理和控制问题无疑是一项庞大的系统工程,如果针对每一个部件,从飞机起落架,增升装置(襟翼,缝翼等),到发动机风扇,压气机,涡轮,燃烧室,尾喷口,直至飞机窗壁的隔声问题都有独特的气动声学机制在起作用。本项目将针对大型客机的气动噪声产生机理和控制这一复杂的系统工程,归类凝练出以下三个方面的科学问题。
1拟解决的关键科学问题
(1)多尺度条件下的旋涡发声机理
旋涡是流体运动的肌腱,也是流体发声的源泉。控制了流体旋涡,既控制了旋涡本身的发声,也控制了它诱导物体发声的能力。通过涡与声的转化可以增强声衬的耗散特性;通过涡的控制,也有可能找到一种基于仿生的涡量---速度同向理论模型来指导控制各种分离流产生的气动噪声,喷流噪声其实也属于涡发声的一种方式,对剪切层的控制可以减小喷流发声,同时也意味着控制了旋涡的强度。但以上三种现象,具有完全不同的尺度,在理论上如何更好的描述不同尺度旋涡发声机制,在数值模拟上如何有效的捕捉到所期望的流场和声场细节,则是气动声学学科中愈来愈受关心的科学问题。
(2)主/被动结合的气动噪声控制原理
目前研究的主动控制技术从控制论的角度来看是一种形式的反馈控制,它对传感器以及作动机构的精度以及所控制声波的相位探测都需要达到极高的要求,否则,建立在相位相消原理的这种方式甚至带来相反的效果。主/被动结合的控制方式(又称混合控制)将充分利用原有的被动控制原理,但增加了声波耗散机制的主动调节,形成了一种开环控制系统。但是,如何实施对所用的被动方式进行主动调节?有多大范围可控?将涉及的许多值得研究的科学问题。在本项目中,对短舱非均匀声衬数学优化所代表的声波耗散机制的研究,对飞机舱壁湍流激振及其传播控制的研究都将涉及这一问题。
(3)复杂流动情况下的气动产生机理及预测方法
在飞机气动噪声的产生过程中,从各种部件来看,面对许多复杂流动相关的问题,比如起落架,增升装置的分离流动,跨音速风扇的激波附面层干扰,转子/静子相互作用的运动边界模拟问题,都涉及到如何给出有效的湍流模型,如何运用大规模并行技术来高效模拟这些流场与声场等方面的基础科学问题,目前,也是湍流理论,计算物理,计算气动声学关心的交叉性问题。
2 主要研究内容
围绕第一个关键问题“多尺度条件下的旋涡发声机理”,本项目从基础性试验,涡声理论,CAA数值计算方法入手,拟开展的主要研究内容有:
偏流(Bias Flow) 声衬的涡声转化机理;
涡量-速度同向理论模型及应用;
双涵道喷流噪声产生的物理机制及控制。
围绕第二个科学问题“主/被动结合的气动噪声控制途径”,本项目拟开展的主要研究内容有:
基于声涡调节发动机短舱声学设计方法及试验演示
附面层抽吸对湍流控制及中低频段先进飞机座舱控制技术及试验
围绕第三个科学问题“复杂流动情况下的气动产生机理及预测方法”,拟开展的主要研究内容有:
与气动噪声发声密切相关的复杂流动的湍流模型建立;
物体运动边界发声的数学物理模型和直接模拟方法;
起落架,增升装置的旋涡分离流动及发声机制;
气动噪声的大规模并行计算方法及流场声场显示方法
下图给出了所研究的内容与关键科学问题之间的关系。
关键科学问题以及涉及的主要研究内容
二、预期目标
1、总体目标
大型客机气动噪声的有效控制方法是发展我国自己的民机设计系统必须解决的问题。针对国家的这一重大需求以及国内外气动声学学科的发展现状,我们凝练了与本项目相关的研究问题。其总体目标就是期望能对运动声源的发声机理,先进飞机座舱噪声控制方法,飞机机体噪声的预测和控制技术,发动机短舱声学设计技术做出既有学术价值,又有实际应用价值的贡献。此外,也期望这些工作的完成能为我国逐步构建独立的大型客机声学设计系统提供现实的基础,并在若干关键技术的掌握和发展方面发挥独到的作用。
2、五年预期目标
理论创新方面,发展飞机短舱,座舱声传播与控制的理论模型和先进抑制方法;探讨涡量-速度同向理论模型及应用;弄清双涵道喷流噪声,起落架,增升装置气动噪声产生的物理机制及高效控制途径,建立气动声学相关的湍流模型并发展相应的大规模并行计算方法。
技术突破方面,根据现代发动机的声源特征,利用所建立的理论模型,设计出多种主/被动结合的发动机消声短舱模型,并在风洞中进行试验效果演示,力争使进气短舱实现10-15dB的降噪量;同时,设计若干组基于多孔介质材料的隔声试件并进行试验演示;对机体噪声的新型控制方法进行缩尺模型的实验演示。
示范验证方面,争取利用