基于发动机尾喷口的喷流噪声特性数值研究

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航空发动机的尾喷流噪声是飞机噪声的主要来源之一。随着环境保护法规对飞机噪声排放的要求越来越严格,相关的尾喷流降噪技术研究具有十分重要的意义。主流的方法主要是通过对发动机改型,加入额外的降噪结构以及调整整机的气动布局来达到降噪的目的。本文针对全尺寸内外涵混合排气涡扇发动机的尾喷流噪声,与以上几种降噪方法相结合,通过改变涡扇发动机内外涵排气状态,加入不同尺寸的锯齿形降噪结构以及改变发动机的安装位置,系统分析了这些因素对尾喷流噪声特性的影响。本研究可为尾喷流降噪提供技术参考。本文采用数值方法研究喷流噪声。针对现有的喷流噪声数值研究方法,考虑到高速喷流的流体可压缩性,本文对传统的雷诺平均湍流模型加入了可压缩性修正,从而达到了更精确的模拟精度。同时,也通过非定常大涡模拟方法LES联合FW-H声波传播方程的方法求解发动机远场的喷流噪声。对于流动方法无法求解的噪声与机体干涉问题,采用了基于高阶间断有限元的SNGR方法,从而研究了飞机布局与喷流噪声相互干涉的影响规律。首先通过对经典的喷管标准模型计算来验证本文数值计算方法的精度和可靠性。在此基础上引入了锯齿形降噪结构并开展了降噪特性研究。随后对单发动机和安装后的发动机进行流动和噪声特性的数值模拟,得到了各种参数变化对尾喷流噪声产生的影响规律,分别研究了发动机工况、降噪结构以及安装效应的影响。研究发现,对于基准的涡扇发动机,降低涵道比以及内外涵排气温度可以降低尾喷流噪声。对于大涵道比涡扇发动机,外涵的变化对尾喷流噪声的影响更明显。外涵温度降低50K,在100倍尾喷口直径的远场噪声可以降低2-5dB。调整内外涵的排气温度以及质量流量时,远场噪声的指向性均为从下游到上游总声压级逐渐减小。对于锯齿形降噪结构,研究表明,齿数和齿弯角的变化均对喷流噪声水平产生影响。齿数并非越多降噪效果越好。在20°的齿弯角以下,随着齿弯角的增加,正下游的喷流噪声幅值降低更多。本文所研究的18齿20°齿弯角的锯齿形结构可以在正下游降低5.6dB的噪声。锯齿结构的存在使得喷流噪声最高的区域从正下游向上游转移。研究表明,对于尾吊式布局的小型公务机,机体尾部会对发动机喷流噪声产生影响。随着安装位置的变化,远场噪声幅值会变化1.5-3dB,不如翼吊式飞机明显。对本文研究的飞机模型而言,将发动机安装位置向下和向后移动可以降低飞机下方的噪声。
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