基于伴隨方法的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、飛機(jī)噪聲問題對持續(xù)增長的航空運(yùn)輸業(yè)提出一個(gè)重要的問題。其噪聲級的大小直接關(guān)系到飛機(jī)適航簽證的獲取。這對于我國正在研制的民用客機(jī)來說,無疑是巨大的挑戰(zhàn)。風(fēng)扇噪聲是現(xiàn)代民用飛機(jī)在起飛和降落狀態(tài)下的主要聲源。通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)涵道外形來降低風(fēng)扇噪聲是一種行之有效的方法。伴隨方法具有梯度計(jì)算幾乎與設(shè)計(jì)變量數(shù)目無關(guān)的顯著優(yōu)勢,較好地克服了氣動(dòng)噪聲優(yōu)化中計(jì)算開銷大的問題,使得進(jìn)行多參數(shù)低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能,有著很大的研究價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。然而,伴隨

2、方法用于發(fā)動(dòng)機(jī)涵道減噪優(yōu)化還處于初步探索階段,有許多科學(xué)問題亟需解決。
　　本文首次提出并發(fā)展了基于連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,突破了一般優(yōu)化算法在多設(shè)計(jì)變量下的計(jì)算效率低的瓶頸問題。研究與發(fā)展了非定常伴隨方程的高階有限差分?jǐn)?shù)值求解方法及相應(yīng)梯度公式的數(shù)值求解方法。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合本文發(fā)展的減噪設(shè)計(jì)理論,針對進(jìn)氣道和外涵道減噪問題,分別提出適合各自問題的減噪設(shè)計(jì)算法,開展了進(jìn)氣道和外涵道減噪問題研究,有效降低了從涵道輻射到

3、遠(yuǎn)場的噪聲,解決了涵道的多參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算量大的難題。從而,為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道多參數(shù)減噪設(shè)計(jì)探索出一條高效可靠的新路。
　　論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)研究了單音噪聲在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道中傳播和遠(yuǎn)場輻射過程。通過求解二維軸對稱線性歐拉方程(2.5D LEE)研究了單個(gè)傅立葉聲模態(tài)的近場傳播過程,然后采用 FW-H積分計(jì)算遠(yuǎn)場的聲壓級。發(fā)展了高精度進(jìn)氣道噪聲計(jì)算工具,通過NASA JT15D靜態(tài)測試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證其正確性,然后

4、詳細(xì)探究了典型進(jìn)氣道噪聲傳播機(jī)理,得出了衍射和折射效應(yīng)是兩個(gè)影響聲波傳播方向的機(jī)制。而且衍射效應(yīng)是更主要的影響因素。
　　(2)研究了單音噪聲在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道中傳播和遠(yuǎn)場輻射過程。由于外涵道流體與外部流體之間出現(xiàn)剪切層,使得無法直接使用頻域有限元、無限元和 LEE方法。本文通過求解聲擾動(dòng)方程(2.5D APE)來模擬近場聲傳播,解決了計(jì)算放大的問題,最后利用 FW-H積分得到遠(yuǎn)場指向性特征。發(fā)展了高精度外涵道噪聲預(yù)測工具,其正確

5、性通過使用TURNEX項(xiàng)目的外涵道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證。
　　(3)首次系統(tǒng)地提出了基于連續(xù)伴隨方法的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。提出了合適的減噪設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)及約束條件,發(fā)展了目標(biāo)函數(shù)取在積分線上的減噪優(yōu)化方法。在計(jì)算坐標(biāo)系下詳細(xì)推導(dǎo)了LEE的非定常伴隨方程,伴隨邊界條件以及關(guān)鍵的梯度表達(dá)式。針對伴隨方程的數(shù)學(xué)性質(zhì),研究與發(fā)展了伴隨方程的高階有限差分?jǐn)?shù)值求解方法及相應(yīng)梯度公式的數(shù)值求解方法,較好解決了非定常伴隨方程和梯度公式的數(shù)值求解問題

6、。利用該優(yōu)化方法,可一次性求出所有設(shè)計(jì)變量的梯度值,從而大大提高了減噪設(shè)計(jì)的效率。
　　(4)提出了基于連續(xù)伴隨理論和2.5D LEE方程的進(jìn)氣道減噪設(shè)計(jì)算法。推導(dǎo)了2.5D LEE的伴隨方程及邊界條件,并給出了最終梯度求解形式。通過利用網(wǎng)格擾動(dòng)技術(shù),避免了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中多次生成計(jì)算網(wǎng)格的問題,獲得了度量矩陣變分來進(jìn)行梯度求解。使用 Hicks-Henne函數(shù)來描述設(shè)計(jì)變量擾動(dòng)對進(jìn)氣道表面的影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程使用擬牛頓優(yōu)化算法,在

7、不同背景流條件和噪聲模態(tài)下,成功地進(jìn)行了高達(dá)50個(gè)設(shè)計(jì)變量的典型進(jìn)氣道的減噪問題研究,取得顯著的減噪效果。
　　(5)提出了基于連續(xù)伴隨理論和2.5D APE方程的外涵道減噪設(shè)計(jì)算法。導(dǎo)出了2.5D APE的非定常伴隨方程及相應(yīng)物面邊界條件以及梯度表達(dá)式,應(yīng)用高精度有限差分法對其進(jìn)行了有效的數(shù)值求解?；谧钏傧陆邓惴?對含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 TURNEX外涵道,在不同背景流條件和噪聲模態(tài)下,成功進(jìn)行了含48個(gè)設(shè)計(jì)變量的減噪設(shè)計(jì)。最優(yōu)外形取