聲襯流動阻力產生機理與吸聲性能基礎研究

《聲襯流動阻力產生機理與吸聲性能基礎研究》是依託北京航空航天大學，由李曉東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：聲襯流動阻力產生機理與吸聲性能基礎研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：李曉東
• 項目類別：面上項目

項目摘要

聲襯是現代航空發動機噪聲控制最重要的手段之一，長期以來圍繞聲襯的研究幾乎完全集中於提升其吸聲性能，而忽視其對氣動性能的負面影響，有關聲襯阻力產生機理方面的研究更是一片空白。然而，聲襯能否在未來飛機發動機與機體上獲得更廣泛的套用，很大程度上取決於低阻力聲襯設計原理的突破。為此，本項目擬採用數值與實驗相結合的方法，深入研究不同切向流與高聲強條件下多種結構形式穿孔板聲襯阻力產生機理與吸聲性能。數值研究將基於大渦模擬策略和高精度計算氣動聲學方法，採用低頻散與低耗散的高階空間離散格式、多時間步推進格式和無反射邊界條件，以高效精確刻畫聲襯多尺度流動機理；同時開展相應的實驗研究，準確測量聲襯流動阻力和吸聲性能。通過詳細分析高精度數值模擬與實驗結果，深入揭示並詮釋聲襯阻力產生機理與吸聲機理，從而為聲襯阻力預測模型的建立和低阻力高性能聲襯的設計提供理論依據。

結題摘要

低噪聲低阻力始終是商用飛機和發動機設計所追求的目標。短艙聲襯是最有效的抑制航空發動機輻射噪聲的被動降噪方法之一。由於聲襯表面為可穿透的穿孔板或金屬絲網，通常會引起流動阻力的增加。然而，長期以來由於聲襯在噪聲控制方面的不可替代性，其引起的額外阻力只能被動接受。近些年，為了進一步降低發動機耗油率和排放，有關聲襯氣動性能的研究成為熱點。由於聲襯結構的複雜性，目前大部分研究集中於發展準確的聲襯阻力測量方法，並通過實驗測量獲得聲襯流動阻力的變化規律。但是目前的實驗結果只能給定聲襯表面的平均阻力係數，聲襯阻力的產生機理，尤其是在高聲強入射條件下聲場和流場的非線性干涉導致的阻力增加仍有待進一步研究。本項目採用數值與實驗相結合的方法，深入研究不同切向流與高聲強條件下多種結構形式穿孔板聲襯阻力產生機理與吸聲性能。針對聲襯流動阻力問題，同時開展了高精度數值模擬研究和實驗研究。得到了不同切向流速度和不同聲壓級入射聲波下聲襯阻力各個組成部分的變化規律，根據詳細的流場和聲場數據分析了聲襯流動阻力的產生機理。實驗研究方面，設計了基於阻力天平的聲襯阻力直接測量方法，建立了國內唯一的聲襯流動阻力測試平台，達到了世界先進水平。研究表明，聲襯的流動阻力與表面流速，入射聲波強度和頻率相關。管道內流速越大，入射聲波強度越高，頻率越接近共振頻率，聲襯產生的額外流動阻力越大。尤其在高聲壓級入射條件下，由於聲場流場的非線性干涉形成的渦繫結構及氣動力會引起聲襯流動阻力的顯著增加，在低馬赫數下甚至可提高90%。聲襯吸聲特性研究方面，採用高精度直接數值模擬方法計算了由多個相同結構狹縫共振腔構成的聲襯的聲學回響，探究聲阻抗因聲壓級降低而在空間上產生的變化，根據聲阻抗的定義計算了每個共振腔的當地聲阻抗，確定了聲阻抗的空間變化特徵，據此建立了半經驗模型。另外，本課題還探究了實際聲襯的排水孔對聲襯吸聲性能的影響及機理，並與實驗結果進行對比分析。