CN111079325B - 基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法 - Google Patents

基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法 Download PDF

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CN111079325B CN201911137584.6A CN201911137584A CN111079325B CN 111079325 B CN111079325 B CN 111079325B CN 201911137584 A CN201911137584 A CN 201911137584A CN 111079325 B CN111079325 B CN 111079325B
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Abstract

本发明涉及一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，包括：利用涡扇发动机喷流结构特点，对通用噪声模型进行简化，构建涡扇发动机喷流噪声的代理模型结构；构建涡扇发动机喷流流场有限元模型，模拟正交试验并获取噪声样本；利用噪声样本数据对代理模型进行求解；利用大气条件、飞行速度和喷管几何尺寸修正噪声模型，最终得到具备一定精度的喷流噪声实时模型。本发明解决了航空发动机喷流噪声数值计算过程中，传统的计算流体动力学方法计算量庞大、无法覆盖整个飞行过程中的噪声状况和达不到实时仿真需求等问题，为涡扇发动机主动噪声控制提供依据。

Description

基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法
技术领域
本发明是一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，属于航空发动机建模与仿真技术领域。
背景技术
飞机的噪声辐射是民机适航取证的强制性标准，各国对于噪声进行限制的机场数目也在逐年上升，因此飞机的噪声设计技术已经成为大型运输机的主要竞争筹码之一，影响其海内外市场的运营。民用运输机广泛采用的大涵道比涡轮风扇发动机的噪声辐射是飞机噪声的主要原因。涡扇发动机的噪声可以分为喷流噪声、风扇噪声、燃烧室噪声和涡轮噪声，其中喷流噪声可以近似看成与喷流速度的高阶次方成正比，随着喷流速度的增加喷流噪声会急剧增大，是发动机最主要的噪声源。
仿真技术是支撑航空发动机自主研发的重要手段，可以大幅提高航空发动机的研发效率和质量，缩短研制周期，降低研制成本。目前国内外已知的发动机整机模型很多，大多利用发动机的部件特性，建立发动机的非线性部件级模型，使用Newton-Raphson等方法求解非线性方程组，或利用容积动力学方法取代经典迭代算法，实现发动机的实时模型仿真。但在进行发动机的噪声设计时，往往是直接按照随时间变化的非定常过程计算，如使用各种CFD软件，该方法计算量庞大，往往只能计算多个样本点，无法覆盖整个飞行过程中的噪声状况，远远达不到实时仿真的需求，发动机噪声仿真的效率问题是目前提高发动机的噪声设计效率、噪声适航评估系统开发、噪声主动控制和多学科设计优化等技术的主要瓶颈。基于上述问题，国内尚未见有公布带喷流噪声预测功能的涡扇发动机实时模型。
发明内容
本发明提出的是一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，其目的在于针对发动机噪声设计过程中，传统方法计算量庞大、无法覆盖整个飞行过程中的噪声状况、达不到实时仿真需求等问题，通过利用涡扇发动机喷流的特征，对通用喷流噪声计算方法进行简化和改进，提出了一种满足实时仿真要求的涡扇发动机喷流噪声模型，可以对喷流噪声大小进行实时仿真计算以及配合发动机的性能参数对噪声进行预测。
本发明的技术解决方案：基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，包括以下步骤：
（1）构建涡扇发动机喷流噪声代理模型：通过对发动机喷流噪声的特性分析，根据噪声源类型的不同，将分开排气的涡扇发动机喷流流场分为四个部分进行分析和计算，分别为喷流核心区、充分掺混区、外环剪切层和内环剪切层，针对不同的区域，对噪声求解方程进行简化；通过噪声求解方程分别计算外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，再通过各个部分的噪声叠加，得出噪声源总声压级；
（2）建立喷流有限元模型获取噪声样本数据：建立涡扇发动机喷流流场的有限元模型，利用通用计算流软件计算其喷流噪声辐射，流场区域选择以喷管中心为圆点，100倍喷管直径大小为半径的球体，关注喷流噪声的远场噪声辐射大小，采用正交实验法，计算不同喷流流速下，步骤（1）中各个流场区域不同指向角的采样点的噪声大小，作为噪声样本用于对噪声模型的求解；
（3）利用噪声样本数据求解代理模型：利用步骤（2）中得到的各个区域的噪声样本，对步骤（1）中得到的喷流噪声代理模型的相关系数进行求解，待求解的参数包括各个区域噪声模型的密度项系数、速度项系数和常数项，辨识方法采用麦夸特法；
（4）利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型。
所述步骤（1）构建涡扇发动机喷流噪声代理模型，包括以下具体步骤：
1.1）对通用喷流噪声进行分析和简化：
对于湍流脉动为单色的喷流流场，其单位体积内湍流所辐射的声强可以写为：
Figure 831793DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为湍流脉动频率，
Figure 113870DEST_PATH_IMAGE004
为Lighthill湍流应力张量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为旋涡相关体积，
Figure 346268DEST_PATH_IMAGE006
为大气密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为环境声速，
Figure 321177DEST_PATH_IMAGE008
表征接收点距声源点的距离；对于涡扇发动机的喷流流场，进行以下假设：（1）仅考虑远场噪声；（2）同一流场分区内湍流脉动频率近似恒定；（3）忽略粘性力；（4）忽略热传导影响；（5）喷流混合区纵向长度为喷口直径的线性函数；此时区域内辐射的声功率可以视为正比于
Figure 6237DEST_PATH_IMAGE010
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为区域内的平均气体密度，
Figure 888742DEST_PATH_IMAGE005
为喷流出口速度，
Figure 710067DEST_PATH_IMAGE012
为喷口面积的等效直径，此时总声压级则可以表示为：
Figure 652616DEST_PATH_IMAGE014
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为速度系数，
Figure 559392DEST_PATH_IMAGE005
为喷流绝对速度，
Figure 947386DEST_PATH_IMAGE016
为环境声速，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为环境大气密度，
Figure 888797DEST_PATH_IMAGE011
为喷流的平均，
Figure 736667DEST_PATH_IMAGE018
为密度系数，A为喷管喷口面积，此式即为代理模型结构；
1.2）构建外环剪切掺混噪声代理模型：
外环剪切掺混噪声的声功率级基本计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
式中，
Figure 130739DEST_PATH_IMAGE020
为速度系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为外涵道喷流绝对速度，
Figure 823889DEST_PATH_IMAGE022
为环境声速，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为外涵道喷流密度，
Figure 619806DEST_PATH_IMAGE024
为大气密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为密度系数，
Figure 372999DEST_PATH_IMAGE026
为喷流速度校准马赫数，作为针对飞行状态下喷流速度的修正；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为喷流噪声源与观测点之间的指向角，在不考虑修正时，直接使用喷管核心位置距离观测点的距离和角度为此时的指向角，此时发动机外环剪切掺混噪声总声压级基本计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
式中
Figure 254367DEST_PATH_IMAGE030
为理想喷流面积，即喷流完全等熵膨胀至环境气压时的喷流面积，设定喷管为收缩喷管，按照喷管出口面积和流速即可求出理想喷流面积，公式为：
Figure 485628DEST_PATH_IMAGE032
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为外涵喷管喉道面积，因为是收缩喷管，其面积为喷口面积：
Figure 634588DEST_PATH_IMAGE034
；
1.3）计算内环剪切掺混噪声：
与外环剪切掺混噪声相类似，内环剪切掺混噪声的声压级基本计算公式为：
Figure 89840DEST_PATH_IMAGE036
Figure 989663DEST_PATH_IMAGE038
其理想喷流面积计算与步骤1.1）类似，其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
1.4）充分掺混区噪声：
充分掺混区噪声的总声压级基本计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
Figure 493456DEST_PATH_IMAGE042
；
充分掺混区理想喷流面积按照内外涵喷流混合后的气流进行计算，公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
1.5）尾椎分离噪声：
尾椎分离噪声的总声压级基本计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
Figure 998387DEST_PATH_IMAGE046
；
步骤1.6）总输出噪声：
声压级的运算按照对数规律进行，n个不同声压级噪声源相叠加的结果为其能量和的对数，发动机总喷流噪声声压级为外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混噪声和尾椎分离噪声的叠加，其公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
。
所述步骤（2）建立喷流有限元模型获取噪声样本数据据：建立喷管1:1三维模型，利用ANSYS软件构建喷流流场，流场大小为以喷管中心为圆点，半径为100倍喷管外径的球形，用以模拟远场噪声大小，使用fluent模块计算其流场的噪声辐射，采用正交实验法设计仿真计算时内外涵的喷流速度以及测量点的距喷管中心的距离和指向角，得到步骤（1）中各个流场区域不同指向角的采样点的在多个内外涵喷流速度组合下噪声大小，作为噪声样本用于对噪声模型的求解。
所述步骤（4）利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型，包括修正喷流速度：喷流速度的修正，在喷流流速的绝对速度上加上飞行速度和飞行攻角的影响，因此修正喷流马赫数按照以下公式进行计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE049
式中
Figure 93382DEST_PATH_IMAGE050
为喷流绝对速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为飞行马赫数，
Figure 949343DEST_PATH_IMAGE052
为飞行攻角，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为调整系数，亚声速情况下
Figure 522406DEST_PATH_IMAGE053
取0.62；依据对试验数据的分析，对于大涵道比涡扇发动机，
Figure 147423DEST_PATH_IMAGE053
主要与内外涵流速比有关，使用以下公式进行修正：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
修正后的喷流速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
对于内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，采用相同思路修正。
所述步骤（4）利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型，包括修正发动机尺寸：发动机尺寸的校正体现在对常数项的修正，以充分掺混区噪声为例，按照Lighthill声学公式，噪声的强度和速度的八次方成正比，即此时的
Figure 911854DEST_PATH_IMAGE058
为8，但实际上随着流速的增加，
Figure 520690DEST_PATH_IMAGE058
会逐渐降低，总噪声声压级主要取决于最大的分量，在充分掺混区噪声中，外涵流场为最大的影响因素，内外涵流速速度比越高，则总声压级越低，同样内涵喷流流场面积越小，则总声压级越高；结合试验数据，对充分掺混区噪声的修正如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
上式中，
Figure 163024DEST_PATH_IMAGE060
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE061
分别为外涵和内涵流量；对于喷流核心区噪声、外环剪切层噪声和内环剪切层噪声，采用相同思路修正。
本发明的有益效果：
通过利用涡扇发动机喷流的特征，对通用喷流噪声计算方法进行简化和改进，实现了一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声计算方法，得到了满足实时仿真要求的喷流噪声模型，可以根据发动机的性能特性参数对喷流噪声辐射进行实时仿真，考虑到飞行状态对噪声辐射的影响，利用飞行速度、高度、飞行攻角以及喷管几何参数对该模型进行了修正，使其更符合实际应用要求，具有较大应用前景。
附图说明
附图1是喷流流场分区图。
附图2是喷流噪声模型计算流程。
附图3是位置参数示意图。
附图4是喷管结构参数示意图。
具体实施方式
本发明通过对涡扇发动机喷流结构进行分析，在通用喷流噪声模型基础上简化和发展，构建了涡扇发动机代理模型，利用有限元模型模拟正交试验获取噪声样本，进而对代理模型中的参数进行求解，考虑到飞行状态对噪声辐射的影响，利用飞行速度、高度、飞行攻角以及喷管几何参数对该模型进行了修正，使其更符合实际应用要求，得到了满足实时仿真要求的涡扇发动机喷流噪声模型，可以对喷流噪声大小进行实时仿真计算以及配合发动机的性能参数对噪声进行预测，包括以下步骤：
步骤1）构建涡扇发动机喷流噪声代理模型：
通过对发动机喷流噪声的特性分析，根据噪声源类型的不同，将分开排气的涡扇发动机喷流流场分为多个区域进行分析和计算，主要分为四个部分，分别为喷流核心区、充分掺混区、外环剪切层和内环剪切层，针对不同的区域，对噪声求解方程进行简化。通过噪声求解方程分别计算外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，再通过各个部分的噪声叠加，得出噪声源总声压级。
步骤2）建立喷流有限元模型获取噪声样本数据：
建立涡扇发动机喷流流场的有限元模型，利用通用计算流软件计算其喷流噪声辐射，流场区域选择以喷管中心为圆点，100倍喷管直径大小为半径的球体，主要关注喷流噪声的远场噪声辐射大小。采用正交实验法，计算不同喷流流速下，步骤（1）中各个流场区域不同指向角的采样点的噪声大小，作为噪声样本用于对噪声模型的求解。
步骤3）利用噪声样本数据求解代理模型：
利用步骤（2）中得到的各个区域的噪声样本，对步骤（1）中得到的喷流噪声代理模型的相关系数进行求解，待求解的参数包括各个区域噪声模型的密度项系数，速度项系数和常数项，辨识方法采用麦夸特法。
步骤4）利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型：
步骤4.1）喷流速度的修正，需要在喷流流速的绝对速度上，加上飞行速度和飞行攻角的影响，因此修正喷流马赫数可以按照以下公式进行计算：
Figure 642547DEST_PATH_IMAGE062
式中
Figure 79344DEST_PATH_IMAGE050
为喷流绝对速度，
Figure 175476DEST_PATH_IMAGE051
为飞行马赫数，
Figure 90343DEST_PATH_IMAGE052
为飞行攻角，
Figure 689951DEST_PATH_IMAGE053
为调整系数，参考国外试验数据，亚声速情况下，
Figure 828809DEST_PATH_IMAGE053
取0.62比较合适。依据对试验数据的分析，对于大涵道比涡扇发动机，
Figure 412237DEST_PATH_IMAGE053
主要与内外涵流速比有关，可以近似使用以下公式进行修正：
Figure 130794DEST_PATH_IMAGE055
此时修正后的喷流速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
对于内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，其修正思路类似，此处不再赘述。
步骤4.2）对于发动机尺寸的校正，主要体现在对常数项的修正，以充分掺混区噪声为例，按照Lighthill声学公式，噪声的强度和速度的八次方成正比，即此时的
Figure 584909DEST_PATH_IMAGE058
为8，但实际上随着流速的增加，
Figure 894668DEST_PATH_IMAGE058
会逐渐降低，总噪声声压级主要取决于最大的分量，在充分掺混区噪声中，外涵流场为最大的影响因素，内外涵流速速度比越高，则总声压级越低，同样内涵喷流流场面积越小，则总声压级越高。结合试验数据，对充分掺混区噪声的修正如下：
Figure 932769DEST_PATH_IMAGE059
上式中，
Figure 986175DEST_PATH_IMAGE060
，其中
Figure 825955DEST_PATH_IMAGE061
分别为外涵和内涵流量。
实施例1
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明做进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本实施例以建立CFM56-5B涡扇发动机/喷流噪声综合实时模型为例，在已有的通过公开数据建立的CFM56-5B涡扇发动机非线性模型基础上，建立喷流噪声模型并与发动机非线性模型相结合，得到带喷流噪声预测功能的CFM56-5B涡扇发动机实时模型。
步骤1）构建涡扇发动机喷流噪声代理模型：
通过对发动机喷流噪声的特性分析，根据噪声源类型的不同，将分开排气的涡扇发动机喷流流场分为多个区域进行分析和计算，主要分为四个部分，如图1所示，分别为喷流核心区、充分掺混区、外环剪切层和内环剪切层，针对不同的区域，对噪声求解方程进行简化。
喷流噪声模型计算流程如图2所示，分别计算外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，再通过各个部分的噪声叠加，得出噪声源总声压级。
步骤1.1）对通用喷流噪声进行分析和简化：
对于湍流脉动为单色的喷流流场，其单位体积内湍流所辐射的声强可以写为：
Figure 775457DEST_PATH_IMAGE064
式中，
Figure 67898DEST_PATH_IMAGE003
为湍流脉动频率，
Figure 393837DEST_PATH_IMAGE004
为Lighthill湍流应力张量，
Figure 88124DEST_PATH_IMAGE005
为旋涡相关体积，
Figure 208526DEST_PATH_IMAGE006
为大气密度，
Figure 253843DEST_PATH_IMAGE007
为环境声速，
Figure 117893DEST_PATH_IMAGE008
表征接收点距声源点的距离。对于涡扇发动机的喷流流场，进行以下假设：（1）仅考虑远场噪声；（2）同一流场分区内湍流脉动频率近似恒定；（3）忽略粘性力；（4）忽略热传导影响；（5）喷流混合区纵向长度为喷口直径的线性函数。此时区域内辐射的声功率可以视为正比于
Figure 666686DEST_PATH_IMAGE010
式中
Figure 754728DEST_PATH_IMAGE011
为区域内的平均气体密度，
Figure 490603DEST_PATH_IMAGE005
为喷流出口速度，
Figure 423924DEST_PATH_IMAGE012
为喷口面积的等效直径。，此时总声压级则可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
式中A为喷管喷口面积。此式即为代理模型结构。
步骤1.2）构建外环剪切掺混噪声代理模型：
外环剪切掺混噪声的声功率级基本计算公式为：
Figure 561644DEST_PATH_IMAGE066
式中，
Figure 289429DEST_PATH_IMAGE020
为速度系数，
Figure 778179DEST_PATH_IMAGE021
为外涵道喷流绝对速度，
Figure 748147DEST_PATH_IMAGE022
为环境声速，
Figure 271532DEST_PATH_IMAGE023
为外涵道喷流密度，
Figure 435797DEST_PATH_IMAGE024
为大气密度，
Figure 146264DEST_PATH_IMAGE025
为密度系数，
Figure 686967DEST_PATH_IMAGE026
为喷流速度校准马赫数，作为针对飞行状态下喷流速度的修正。
Figure 533700DEST_PATH_IMAGE027
为喷流噪声源与观测点之间的指向角，详见图3。在不考虑修正时，直接使用喷管核心位置距离观测点的距离和角度为此时的指向角。
此时发动机外环剪切掺混噪声总声压级基本计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
式中
Figure 603287DEST_PATH_IMAGE030
为理想喷流面积，即喷流完全等熵膨胀至环境气压时的喷流面积，CFM56-5B为收缩喷管，因此按照其喷管出口面积和流速即可求出其理想喷流面积，公式为：
Figure 66630DEST_PATH_IMAGE068
式中，
Figure 411023DEST_PATH_IMAGE033
为外涵喷管喉道面积，因为是收缩喷管，所以其面积为喷口面积：
Figure 377842DEST_PATH_IMAGE070
式中所用几何参数如图4所示。
步骤1.3）计算内环剪切掺混噪声：
与外环剪切掺混噪声相类似，内环剪切掺混噪声的声压级基本计算公式为：
Figure 883910DEST_PATH_IMAGE036
Figure 568969DEST_PATH_IMAGE072
其理想喷流面积计算与步骤1.1类似，其中：
Figure 451475DEST_PATH_IMAGE074
步骤1.4）充分掺混区噪声：
充分掺混区噪声的总声压级基本计算公式为：
Figure 272800DEST_PATH_IMAGE041
Figure DEST_PATH_IMAGE075
充分掺混区理想喷流面积按照内外涵喷流混合后的气流进行计算，公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE077
步骤1.5）尾椎分离噪声：
尾椎分离噪声的总声压级基本计算公式为：
Figure 418611DEST_PATH_IMAGE078
Figure 856545DEST_PATH_IMAGE046
步骤1.6）总输出噪声：
声压级的运算是按照对数规律（能量规律）进行，n个不同声压级噪声源相叠加的结果为其能量和的对数，发动机总喷流噪声声压级为外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混噪声和尾椎分离噪声的叠加，其公式为：
Figure 510118DEST_PATH_IMAGE080
步骤2）建立喷流有限元模型获取噪声样本数据：
建立CFM56-5B喷管1:1三维模型，利用通用有限元计算分析软件ANSYS软件构建喷流流场，流场大小为以喷管中心为圆点，半径为100倍喷管外径的球形，用以模拟远场噪声大小，使用fluent模块计算其流场的噪声辐射，采用正交实验法设计仿真计算时内外涵的喷流速度以及测量点的距喷管中心的距离和指向角。得到步骤（1）中各个流场区域不同指向角的采样点的在多个内外涵喷流速度组合下噪声大小，作为噪声样本用于对噪声模型的求解。
步骤3）利用噪声样本数据求解代理模型：
利用步骤（2）中得到的各个区域的噪声样本，对步骤（1）中得到的喷流噪声代理模型的相关系数进行求解，待求解的参数包括各个区域噪声模型的密度项系数，速度项系数和常数项，以外环剪切掺混区为例，需要辨识得到的参数包括
Figure DEST_PATH_IMAGE081
。辨识方法采用麦夸特法。
步骤4）利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型：
步骤4.1）喷流速度的修正，需要在喷流流速的绝对速度上，加上飞行速度和飞行攻角的影响，因此修正喷流马赫数可以按照以下公式进行计算：
Figure 185950DEST_PATH_IMAGE049
式中
Figure 299400DEST_PATH_IMAGE050
为喷流绝对速度，
Figure 693472DEST_PATH_IMAGE051
为飞行马赫数，
Figure 917780DEST_PATH_IMAGE052
为飞行攻角，
Figure 713698DEST_PATH_IMAGE053
为调整系数，参考国外试验数据，亚声速情况下，
Figure 998048DEST_PATH_IMAGE053
取0.62比较合适。依据对试验数据的分析，对于大涵道比涡扇发动机，
Figure 613838DEST_PATH_IMAGE053
主要与内外涵流速比有关，可以近似使用以下公式进行修正：
Figure 641836DEST_PATH_IMAGE055
此时修正后的喷流速度为：
Figure 823419DEST_PATH_IMAGE057
对于内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，其修正思路类似，此处不再赘述。
步骤4.2）对于发动机尺寸的校正，主要体现在对常数项的修正，以充分掺混区噪声为例，按照Lighthill声学公式，噪声的强度和速度的八次方成正比，即此时的
Figure 747513DEST_PATH_IMAGE058
为8，但实际上随着流速的增加，
Figure 647336DEST_PATH_IMAGE058
会逐渐降低，总噪声声压级主要取决于最大的分量，在充分掺混区噪声中，外涵流场为最大的影响因素，内外涵流速速度比越高，则总声压级越低，同样内涵喷流流场面积越小，则总声压级越高。结合试验数据，对充分掺混区噪声的修正如下：
Figure 682288DEST_PATH_IMAGE059
上式中，
Figure 718377DEST_PATH_IMAGE060
，其中
Figure 813372DEST_PATH_IMAGE061
分别为外涵和内涵流量。
本发明针对发动机噪声设计过程中，传统方法计算量庞大、无法覆盖整个飞行过程中的噪声状况、达不到实时仿真需求等问题，通过利用涡扇发动机喷流的特征，对通用喷流噪声计算方法进行简化和改进，实现了一种基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声计算方法，得到了满足实时仿真要求的喷流噪声模型，可以根据发动机的性能特性参数对喷流噪声辐射进行实时仿真，考虑到飞行状态对噪声辐射的影响，利用飞行速度、高度、飞行攻角以及喷管几何参数对该模型进行了修正，使其更符合实际应用要求，具有较大应用前景。

Claims (5)

1.基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，其特征是包括以下步骤：
(1)构建涡扇发动机喷流噪声代理模型：通过对发动机喷流噪声的特性分析，根据噪声源类型的不同，将分开排气的涡扇发动机喷流流场分为四个部分进行分析和计算，分别为喷流核心区、充分掺混区、外环剪切层和内环剪切层，针对不同的区域，对噪声求解方程进行简化；通过噪声求解方程分别计算外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，再通过各个部分的噪声叠加，得出噪声源总声压级；
(2)建立喷流有限元模型获取噪声样本数据：建立涡扇发动机喷流流场的有限元模型，利用通用计算流软件计算其喷流噪声辐射，流场区域选择以喷管中心为圆点，100倍喷管直径大小为半径的球体，关注喷流噪声的远场噪声辐射大小，采用正交实验法，计算不同喷流流速下，步骤(1)中各个流场区域不同指向角的采样点的噪声大小，作为噪声样本用于对噪声模型的求解；
(3)利用噪声样本数据求解代理模型：利用步骤(2)中得到的各个区域的噪声样本，对步骤(1)中得到的喷流噪声代理模型的相关系数进行求解，待求解的参数包括各个区域噪声模型的密度项系数、速度项系数和常数项，辨识方法采用麦夸特法；
(4)利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型。
2.根据权利要求1所述的基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，其特征是所述步骤(1)构建涡扇发动机喷流噪声代理模型，包括以下具体步骤：
1.1)对通用喷流噪声进行分析和简化：
对于湍流脉动为单色的喷流流场，其单位体积内湍流所辐射的声强可以写为：
Figure FDA0003537155140000021
式中，w为湍流脉动频率，Tij为Lighthill湍流应力张量，Ve为旋涡相关体积，ρ0为环境大气密度，Camb为环境声速，x表征接收点距声源点的距离；对于涡扇发动机的喷流流场，进行以下假设：(1)仅考虑远场噪声；(2)同一流场分区内湍流脉动频率近似恒定；(3)忽略粘性力；(4)忽略热传导影响；(5)喷流混合区纵向长度为喷口直径的线性函数；此时区域内辐射的声功率可以视为正比于
Figure FDA0003537155140000022
式中ρs为区域内的平均气体密度，v为喷流出口速度，D为喷口面积的等效直径，此时总声压级则可以表示为：
OUL＝const+N·log10v+W·log10ρs+10·log10A+f(c0,ρ0)
式中N为速度系数，C0为环境声速，W为密度系数，A为喷管喷口面积，此式即为代理模型结构；
1.2)构建外环剪切掺混噪声代理模型：
外环剪切掺混噪声的声功率级基本计算公式为：
Figure FDA0003537155140000023
式中，Co为常数项，No为速度指数，vo为外涵道喷流绝对速度，Camb为环境声速，ρo为外涵道喷流密度，ρamb为大气密度，Wo为密度指数，Mc,o为喷流速度校准马赫数，作为针对飞行状态下喷流速度的修正， θo为喷流噪声源与观测点之间的指向角，在不考虑修正时，直接使用喷管核心位置距离观测点的距离和角度为此时的指向角，此时发动机外环剪切掺混噪声总声压级基本计算公式为
Figure FDA0003537155140000031
式中Aj,out为理想喷流面积，即喷流完全等熵膨胀至环境气压时的喷流面积，设定喷管为收缩喷管，按照喷管出口面积和流速即可求出理想喷流面积，公式为：
Figure FDA0003537155140000032
式中，Ath,o为外涵喷管喉道面积，因为是收缩喷管，其面积为喷口面积：
Figure FDA0003537155140000033
1.3)计算内环剪切掺混噪声：
内环剪切掺混噪声的声压级基本计算公式为：
Figure FDA0003537155140000034
其理想喷流面积为：
Figure FDA0003537155140000035
1.4)充分掺混区噪声：
充分掺混区噪声的总声压级基本计算公式为：
Figure FDA0003537155140000041
充分掺混区理想喷流面积按照内外涵喷流混合后的气流进行计算，公式为：
Aj,mix＝Aj,in+Aj,out；
1.5)尾椎分离噪声：
尾椎分离噪声的总声压级基本计算公式为：
Figure FDA0003537155140000042
步骤1.6)总输出噪声：
声压级的运算按照对数规律进行，n个不同声压级噪声源相叠加的结果为其能量和的对数，发动机总喷流噪声声压级为外环剪切掺混噪声、内环剪切掺混噪声、充分掺混噪声和尾椎分离噪声的叠加，其公式为：
Figure FDA0003537155140000043
3.根据权利要求1所述的基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，其特征是所述步骤(2)建立喷流有限元模型获取噪声样本数据：建立喷管1:1三维模型，利用ANSYS软件构建喷流流场，流场大小为以喷管中心为圆点，半径为100倍喷管外径的球形，用以模拟远场噪声大小，使用fluent模块计算其流场的噪声辐射，采用正交实验法设计仿真计算时内外涵的喷流速度以及测量点的距喷管中心的距离和指向角，得到步骤(1)中各个流场区域不同指向角的采样点的在多个内外涵喷流速度组合下噪声大小，作为噪声样本用于对噪声模型的求解。
4.根据权利要求1所述的基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，其特征是所述步骤(4)利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型，包括修正喷流速度：喷流速度的修正，在喷流流速的绝对速度上加上飞行速度和飞行攻角的影响，因此修正喷流马赫数按照以下公式进行计算：
Figure FDA0003537155140000051
式中vo为喷流绝对速度，Mf为飞行马赫数，αj为飞行攻角，nc,o为调整系数，亚声速情况下nc,o取0.62；依据对试验数据的分析，对于大涵道比涡扇发动机，nc,o主要与内外涵流速比有关，使用以下公式进行修正：
Figure FDA0003537155140000052
修正后的喷流速度为：
Figure FDA0003537155140000053
对于内环剪切掺混噪声、充分掺混区噪声和尾椎分离噪声，采用相同思路修正。
5.根据权利要求1所述的基于代理模型的涡扇发动机喷流噪声实时计算及预测方法，其特征是所述步骤(4)利用飞行速度、攻角和发动机喷管几何尺寸修正噪声模型，包括修正发动机尺寸：发动机尺寸的校正体现在对常数项的修正，以充分掺混区噪声为例，按照Lighthill声学公式，噪声的强度和速度的八次方成正比，即此时的Nm为8，但实际上随着流速的增加，Nm会逐渐降低，总噪声声压级主要取决于最大的分量，在充分掺混区噪声中，外涵流场为最大的影响因素，内外涵流速速度比越高，则总声压级越低，同样内涵喷流流场面积越小，则总声压级越高；结合试验数据，对充分掺混区噪声的修正如下：
Figure FDA0003537155140000061
上式中，ve,m＝(vomo+vimi)/(mo+mi)，其中mo,mi分别为外涵和内涵流量；对于喷流核心区噪声、外环剪切层噪声和内环剪切层噪声，采用相同思路修正。
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