CN111581734B - 一种涡扇发动机短舱穿孔吸声结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞机噪声控制领域，特别涉及一种涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，包括如下步骤：步骤一、计算穿孔板吸声结构的声阻抗率；步骤二、计算吸声系数；步骤三、判断吸声系数是否满足条件；步骤四、计算共振频率；步骤五、计算发动机噪声频率，判断其与共振频率的差值关系；步骤六、进行变参计算；步骤七、构造优化函数优化分析；步骤八、得到最优穿孔板吸声结构参数，并用于涡扇发动机短舱吸声结构设计。本申请的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，分析步骤简洁，便于计算机自动化迭代计算，可以大幅提升工作效率，所设计得到的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构，其形式简单，易于加工，且能够大幅度降低发动机噪声。

Description

一种涡扇发动机短舱穿孔吸声结构设计方法

技术领域

本申请属于飞机噪声控制领域，特别涉及一种涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法。

背景技术

当前先进运输类飞机大多使用涡轮风扇发动机(简称涡扇发动机)，涡扇发动机噪声是飞机的主要噪声源之一。涡扇发动机噪声主要包括：风扇噪声、压气机噪声、涡轮燃烧室噪声和喷流噪声等，其中风扇噪声与压气机噪声主要通过短舱进气道向前方传播，并在飞机起飞阶段是影响环境的重要因素。针对此问题，中国民航适航标准CCAR-36部对起飞噪声进行专门的限定。所以通过分析发动机噪声传播的途径，可以看到，在短舱进气道内壁增加吸声结构，可以降低发动机向前传播的噪声。

目前，穿孔板吸声结构应用范围非常广泛，包括建筑、管道工程、工业设施、交通等等。但是上述应用绝大多数是在气流流速较低的条件下，流速一般不超过0.3Ma。但是，在高速流动条件下，特别对于高速飞行的飞机而言，为保证飞机安全性、环保性和经济性，基于穿孔吸声结构的进气道消声设计受以下条件限制：不产生流场畸变、不产生过大的流阻、保证发动机进气效率；不产生较大次生噪声；更重要的是在复杂流动环境下具有足够的吸声性能和足够宽的吸声频带等。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法。

本申请公开了一种涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据预设的穿孔板吸声结构参数，计算穿孔板吸声结构的声阻抗率，其中，声阻抗率Z通过如下关系式得到：

z＝r+jχ；

其中，r是相对声阻率：

χ是相对声抗率：

j表示虚部；ω是角频率，ω＝2πf；f是频率；c是音速；d是孔径；t是穿孔板厚度；D是穿孔板吸声结构空腔深度；p是穿孔率；v是气体粘性系数；δ是孔端修正系数；V₀是孔中流速；C_d是孔的流量系数；K是常数；

步骤二、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的吸声系数；

步骤三、判断吸声系数是否满足第一设定条件；满足则进行步骤四，否则，返回步骤一，调整预设的穿孔板吸声结构参数；

步骤四、根据所述声阻抗率计算穿孔板吸声结构的共振频率；

步骤五、计算发动机噪声频率，判断发动机噪声频率与穿孔板吸声结构的共振频率的差值是否满足第二设定条件；满足则进行步骤六，否则，返回步骤一，调整预设的穿孔板吸声结构参数；

步骤六、保留本次预设的穿孔板吸声结构参数，返回步骤一，进行变参计算，以分析穿孔板吸声结构的性能；

步骤七、构造优化函数，目标是使穿孔板吸声结构的吸声系数最大；

步骤八、根据优化计算结果，得到最优穿孔板吸声结构参数，并用于涡扇发动机短舱吸声结构设计。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤二中，吸声系数α通过如下关系式得到：

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤四中，共振频率f_r通过如下关系式得到：

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤二包括：

步骤2.1、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的吸声系数；

步骤2.2、根据吸声系数构建吸声系数曲线；

步骤2.3、根据吸声系数曲线得到最大吸声系数α_max；

步骤2.4、对最大吸声系数α_max进行修正，得到修正后的吸声系数α₀：α₀＝μα_max，μ是修正系数；其中

所述步骤三中，是判断修正后的吸声系数α₀是否满足第一设定条件。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤三中，所述第一设定条件为α₀≥0.7。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤四包括：

步骤4.1、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的共振频率f_r；

步骤4.2、对共振频率f_r进行修正，得到修正后的吸声系数f₀：f₀＝κf_r，κ是修正系数，其中

所述步骤五中，是判断发动机噪声频率f_e与修正后的共振频率f₀的差值是否满足第二设定条件。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤三中，所述第二设定条件为

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤七中的优化函数为：

α₀＝F(d,t,D)

Max:α₀

根据本申请的至少一个实施方式，所述预设的穿孔板吸声结构参数包括：孔径d、穿孔板厚度t、吸声结构空腔深度D和板的穿孔率p。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，分析步骤简洁，便于计算机自动化迭代计算，可以大幅提升工作效率，所设计得到的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构，其形式简单，易于加工，且能够大幅度降低发动机噪声。

附图说明

图1是本申请的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

下面结合附图1对本申请的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法做进一步详细说明。

本申请公开了一种涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据预设的穿孔板吸声结构参数，计算穿孔板吸声结构的声阻抗率。

其中，预设的穿孔板吸声结构参数是结构主要参数，是可以根据穿孔板吸声结构的形式来进行确定，本实施例中，优选包括：孔径d、穿孔板厚度t、吸声结构空腔深度D和板的穿孔率p：p＝A_hole/A_plate。

另外，穿孔板吸声结构的声阻抗率Z是通过如下关系式得到：

z＝r+jχ；

其中，r是相对声阻率：

χ是相对声抗率：

j表示虚部；ω是角频率，ω＝2πf；f是频率；c是音速；d是孔径；t是穿孔板厚度；D是穿孔板吸声结构空腔深度；p是穿孔率；v是气体粘性系数；δ是孔端修正系数；V₀是孔中流速；C_d是孔的流量系数；K是常数。需要说明的是，常数K的值可以根据需要进行适合的选取，本实施例中，优选常数K的理论值为0.43，另外，

步骤二、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的吸声系数。

其中，吸声系数α通过如下关系式得到：

另外，在一些实施例中，本步骤二具体可以包括：

步骤2.1、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的吸声系数；

步骤2.2、根据吸声系数构建吸声系数曲线；

步骤2.3、根据吸声系数曲线得到最大吸声系数α_max；其值越大并接近1，吸声效果越好；

步骤2.4、对最大吸声系数α_max进行修正，得到修正后的吸声系数α₀：α₀＝μα_max，其中，μ是修正系数，根据经验公式或试验确定，它与噪声级、频率、流速和声入射角相关。

步骤三、判断吸声系数是否满足第一设定条件；满足则进行步骤四，否则，返回步骤一，调整预设的穿孔板吸声结构参数。

其中，第一设定条件可以根据需要进行适合的选择，本实施例中，优选第一设定条件为α₀≥0.7；其中，α₀即为上述步骤二中修正后的吸声系数α₀。

步骤四、根据所述声阻抗率计算穿孔板吸声结构的共振频率。

其中，共振频率f_r通过如下关系式得到：

另外，在一些实施例中，本步骤四具体可以包括：

步骤4.1、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的共振频率f_r；

步骤4.2、对共振频率f_r进行修正，得到修正后的吸声系数f₀：f₀＝κf_r，κ是修正系数，与观测点位置和飞机相对于观测点的运动状态相关。

步骤五、分析计算发动机噪声频率f_e，根据经验公式或者发动机噪声试验，判断穿孔板吸声结构的共振频率f₀与发动机主要频率(即噪声频率f_e)是否吻合；也即是判断发动机噪声频率f_e与穿孔板吸声结构的共振频率f₀的差值是否满足第二设定条件；满足则进行步骤六，否则，返回步骤一，调整预设的穿孔板吸声结构参数。

其中，第二设定条件可以根据需要进行适合的选择，本实施例中，优选第二设定条件为

步骤六、保留本次预设的穿孔板吸声结构参数，返回步骤一，进行变参计算，以分析穿孔板吸声结构的性能。

步骤七、由于在所设定的穿孔板吸声结构参数范围内，满足以上要求的结果非唯一，所以需要构造优化函数，利用优化算法，计算满足所有约束条件的最优解；其中，优化目标是使穿孔板吸声结构的吸声系数最大。

进一步，本实施例中，优选优化函数为：

α₀＝F(d,t,D)

Max:α₀

步骤八、根据优化计算结果，得到最优穿孔板吸声结构参数，并用于涡扇发动机短舱吸声结构设计。

综上所述，本申请的本申请的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，分析步骤简洁，便于计算机自动化迭代计算，可以大幅提升工作效率，所设计得到的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构，其形式简单，易于加工，且能够大幅度降低发动机噪声，试验表明发动机主要频率噪声降低超过6dB，总声压级降低超过3dB。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据预设的穿孔板吸声结构参数，计算穿孔板吸声结构的声阻抗率Z，其中，声阻抗率Z通过如下关系式得到：

z＝r+jχ；

其中，r是相对声阻率：

χ是相对声抗率：

j表示虚部；ω是角频率，ω＝2πf；f是频率；c是音速；d是孔径；t是穿孔板厚度；D是穿孔板吸声结构空腔深度；p是穿孔率；v是气体粘性系数；δ是孔端修正系数；V₀是孔中流速；C_d是孔的流量系数；K是常数；

步骤二、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的吸声系数；

步骤三、判断吸声系数是否满足第一设定条件；满足则进行步骤四，否则，返回步骤一，调整预设的穿孔板吸声结构参数；

步骤四、根据所述声阻抗率计算穿孔板吸声结构的共振频率；

步骤五、计算发动机噪声频率，判断发动机噪声频率与穿孔板吸声结构的共振频率的差值是否满足第二设定条件；满足则进行步骤六，否则，返回步骤一，调整预设的穿孔板吸声结构参数；

步骤六、保留本次预设的穿孔板吸声结构参数，返回步骤一，进行变参计算，以分析穿孔板吸声结构的性能；

步骤七、构造优化函数，目标是使穿孔板吸声结构的吸声系数最大；

步骤八、根据优化计算结果，得到最优穿孔板吸声结构参数，并用于涡扇发动机短舱吸声结构设计。

2.根据权利要求1所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，所述步骤二中，吸声系数α通过如下关系式得到：

3.根据权利要求2所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，所述步骤四中，共振频率f_r通过如下关系式得到：

4.根据权利要求2所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，所述步骤二包括：

步骤2.1、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的吸声系数；

步骤2.2、根据吸声系数构建吸声系数曲线；

步骤2.3、根据吸声系数曲线得到最大吸声系数α_max；

步骤2.4、对最大吸声系数α_max进行修正，得到修正后的吸声系数α₀：α₀＝μα_max，μ是修正系数；其中

所述步骤三中，是判断修正后的吸声系数α₀是否满足第一设定条件。

5.根据权利要求4所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述第一设定条件为α₀≥0.7。

6.根据权利要求4所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，所述步骤四包括：

步骤4.1、根据声阻抗率计算穿孔板吸声结构的共振频率f_r；

步骤4.2、对共振频率f_r进行修正，得到修正后的吸声系数f₀：f₀＝κf_r，κ是修正系数，其中

所述步骤五中，是判断发动机噪声频率f_e与修正后的共振频率f₀的差值是否满足第二设定条件。

7.根据权利要求6所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述第二设定条件为

8.根据权利要求7所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，所述步骤七中的优化函数为：

α₀＝F(d,t,D)

Max:α₀

9.根据权利要求1所述的涡扇发动机短舱穿孔板吸声结构设计方法，其特征在于，所述预设的穿孔板吸声结构参数包括：孔径d、穿孔板厚度t、吸声结构空腔深度D和板的穿孔率p。

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