超高膨胀比涡轮气动降噪特性及实验研究

摘要

热动力水下航行器在海战中能够发挥巨大的杀伤力，通常起到关键性的作用，因此当今世界各国海军都大力发展水下航行器涡轮发动机技术。与此同时，声纳技术及各种反水下航行器软杀伤和硬杀伤技术的不断发展，对水下航行器隐身技术也提出了更高的要求。噪声控制是发展水下航行器隐身技术的关键，而涡轮气动噪声是水下航行器热动力装置噪声的主要来源之一，因此涡轮结构优化设计是控制涡轮气动噪声的重要手段之一。随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术的不断进步，数值仿真已经成为涡轮气动噪声结构优化设计的有力工具，涡轮流场和声场的准确预测可以有效地指导设计人员进行涡轮结构设计，降低涡轮气动噪声。本文的主要工作是通过研究涡轮气动噪声的机理和控制技术，在已有超高膨胀比涡轮通流结构的基础上对涡轮气动流道进行优化设计，从噪声产生的源头控制涡轮的气动噪声，完成了涡轮通流场与结构声学一体化设计，搭建了基于优化设计涡轮的实验平台，并进行了实验验证，为超高膨胀比涡轮的研制提供技术支撑。
　　本研究主要内容包括：⑴建立计算模型，分别采用非定常雷诺时均法（Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes，URANS）和大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）模拟流场，将CFD仿真得到的流场结果转化为声源信息，进而计算监测点处的噪声频谱。随后对实验工况进行噪声预测，通过对比仿真结果与实验结果，评估本文所采用的混合CAA噪声预测方法的计算精度及可行性。结果表明本文中所采用的气动噪声预测方法能够较为准确地预测噪声的频率成分。⑵按照给定的设计参数完成了单级超高膨胀比涡轮的设计方案。在此基础上，结合非定常流动数值模拟及声场模拟软件，使用建立的CAA方法进行了数值模拟分别分析了该单级超高膨胀比涡轮内部的非定常流场特征和声场特征，从流动特征的角度分析了超高膨胀比涡轮气动噪声的产生机理。分析结果表明超高膨胀比涡轮的气动噪声主要来源分为两类，即涡脱落引起的噪声及喷嘴非定常流动引起的噪声。随后分析了导致这两种噪声的涡轮流动特征，为后续针对超高膨胀比涡轮降噪优化提供理论参考依据。⑶提出了4种涡轮气动噪声控制方案，分别为增加转静之间的轴向间距、增大喷嘴几何出气角、喷嘴下俯和喷嘴出口修型，综合以上方法对本文设计的超高膨胀比涡轮进行结构优化设计，并进行全三维非定常数值模拟分析，获得流场和声场特征。结果表明，4种特定工况下优化方案的气动噪声水平均得到了有效的控制，并且与原涡轮相比，优化涡轮的气动性能基本不变。因此，提出的超高膨胀比涡轮气动噪声结构优化方案，可在保证原有气动性能的条件下有效地控制涡轮气动噪声。⑷搭建了涡轮气动噪声测量实验系统，分别测量了原设计和优化设计后的涡轮气动噪声。在测量的过程中，分析了测量环境、背景噪声以及振动噪声对气动噪声测量的影响。实验结果表明，优化设计涡轮的气动噪声相对于原设计有所降低。涡轮气动噪声实验结果与数值模拟仿真结果的一致性说明了本文采用的超高膨胀比涡轮气动噪声结构优化设计方案以及数值模拟方法是正确有效的。

目录

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题选题的背景及意义

1.3 涡轮气动噪声理论及实验研究现状

1.4 涡轮气动噪声控制方法

1.5 计算气动声学的发展分析

1.6 本文的主要研究内容

第2章 混合CAA数值计算方法

2.1 引言

2.2 流动控制方程

2.3 气动声学基本方程

2.4 涡轮气动噪声声源区域与传播区域耦合的数值研究

2.5 混合CAA气动噪声预测方法的验证

2.6 本章小结

第3章 超高膨胀比涡轮气动噪声特性

3.1 引言

3.2 超高膨胀比涡轮气动及结构设计

3.3 超高膨胀比涡轮流场仿真方法

3.4 超高膨胀比涡轮流动特征

3.5 涡轮气动噪声机理分析

3.6 本章小结

第4章 超高膨胀比涡轮气动降噪设计及仿真

4.1 引言

4.2 气动降噪设计

4.3 气动降噪设计前后仿真结果的对比分析

4.4 总体参数评估

4.5 本章小结

第5章 超高膨胀比涡轮气动噪声实验

5.1 引言

5.2 超高膨胀比涡轮气动噪声测量实验系统设计

5.3 测量环境及涡轮振动噪声对气动噪声测量影响的分析

5.4 超高膨胀比涡轮气动噪声测试实验

5.5 实验与仿真结果对比

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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