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Actran航空噪声仿真应用

2022-04-28 223

对于目前的航空运输业而言,航空作业已经成为一种高效率、高安全、高质量的运输方式,加快了人们的生活节奏,与此同时也为经济全球化提供了动力。然而,技术取得进步和经济快速发展的同时,都会有新问题出现。在民用航空器方面,客机的飞行造成了严重的环境污染,并且飞机噪声成为了干扰人们安静休息的难题,也成为了亟需解决的问题。

随着客机数量的增加,客机所产生的噪声问题也越来越被国际社会所重视,并且对其设定了相关法规,到后来飞机噪声已经成为飞机适航取证的指标之一,航空器噪声值的大小直接影响到适航性的审定与取证。在1969年,美国颁布了第一部针对飞机噪声的适航审定。此后国际民航组织也对飞机噪声控制提出要求。此外,主要航空公司采购飞机的一个重要指标就是客机的噪音水平,而且商用飞机还必须符合当地的噪音限制标准。

飞机噪声来源

为了研究飞机噪声特性,首先得分析噪声的几个组成部分,其中机体噪声和发动机噪声是飞机噪声的主要噪声源,并且强烈的发动机噪声是噪声环境污染的主要原因。发动机噪声中占比较大的是喷流噪声,它在飞机的起飞、进近和边线噪声中的所占比值都比较大。由莱特希尔理论进行解释可知,喷流噪声功率与喷气速度的8次方成正比,而在飞行状态下,特别是在大推力起飞的时候,飞机速率都很大,因此喷流所产生的噪声值很大。

想对发动机的喷流噪声特性进行深入的了解,单纯的理论分析是不够的,还需要结合从实验中取得的数据来研究噪声特性,这就是理论与实际相结合的办法。如果想从实验中获得噪声数据,这会造成测量成本高,耗时大等问题。另外,民用飞机噪声适航审定试验很复杂,需要很多部门的协调和支持,并且涉及到自然环境条件的限制。所以很难确保一次试验数据及时有效,如果反复进行,就会大大增加试验成本。尽管,国内外对噪声研究有一些较为成熟的噪声测量计算方法,但算法的应用也有很多的局限性,比如对测试环境,以及人员对设备的熟练操作等。由于以上种种原因,越来越多的专家学者采用模拟计算的方法来解决喷流噪声计算的问题,此方法的好处之一就是可以按照设定要求很方便的计算不同参数下的喷流噪声值并进行修正到需要的环境条件下,为适航性分析提供了更便捷的验证方法。

气体动量的变化由作用力来平衡,流动区域内压力波动引起密度的波动并向外传播,这就是喷流混合噪声的产生机理。对于喷流的研究,科学论证为湍流流动的研究,湍流是一种非常复杂的多尺度不规则运动,现主要采用的研究方法是实验法和数值模拟方法以及两者相结合。目前较为常用的手段为先应用CFD软件对喷管尾流进行模拟计算,其中采取的方法是应用RNG算法计算稳态流场和大涡模拟(LES)计算非稳态流场,并从流场解中获得声源信息,即流场压力、和速度。其次在声学软件ACTRAN中通过声类比法将流场信息转换为声源,并通过分析得到声场信息。

Actran气动噪声计算流程及特点

在数值模拟的气动声学模块中,将内外涵道流出的高速喷流设定为噪声源,其中的大尺度涡和小尺度涡随喷流流动;将所建立的简化模型中的流场区域作为噪声的传播区域,即设定远场区域,便于声场的远场计算;将外场边界设定为无限元,噪声传播出去时,没有能量损耗以及反射,全透射传播出去。计算结果如下:


仿真计算结果

利用Actran对航空噪声产生机理以及噪声特性进行仿真研究,在发动机顶层设计以及噪声适航审定方面具有十分重要的应用价值。

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