CN117057207B - 一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，属于发动机喷管噪声声振响应预测领域。本发明通过建立喷管缩比模型，同时结合结构尺寸缩比和将声源视作两个独立的噪声进行缩比的方法，进行缩比模型的有限元仿真，能够准确通过喷管缩比模型预测原尺寸发动机的模态、特征频率、声振响应；能够与实际工况相结合进行预测，进一步降低噪声试验对试验室条件的依赖，并能提高对实际噪声环境的模拟真实性。本发明采用一个简单的缩比因子作为缩比模型与原尺寸模型的连接桥梁，同时建立只含有缩比因子的模态、特征频率、声振响应的简单缩比关系式，将复杂的声振预测简单化，进一步提高试验室预测噪声试验的准确性。

Description

一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法

技术领域

本发明属于发动机喷管噪声声振响应预测领域，涉及一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法。

背景技术

新一代航空飞行器发展十分迅速，高超声速飞行器是新一代的代表之一，具有高机动性、远距离精准打击等特点。但其的飞行服役环境极其苛刻，产生的高强度噪声，局部区域超过了180dB。飞机发动机噪声是飞机噪声中的主要成分之一，解决其发动机喷管降噪问题成了迫在眉睫的研究，十分有必要。喷流噪声是航天飞行器声学和结构安全设计要考虑的重要方面，高速气流引起的强噪声在一定程度上会严重危害航空飞行器喷管的结构安全和设备可靠性。尤其对于混排发动机，其优良的性能也是强喷流噪声产生的重要诱因。开展航发发动机喷流结构声振力学响应研究也是航空发动机研制的基本要求。

然而，从国内外的研究现状分析，虽然国际知名研究团队和国内著名研究机构在流致振或声致振方面的研究成果突出，但针对壁面噪声载荷空间相关与结构耦合作用规律的研究工作并不多见。基于混响室/行波管的噪声试验技术也只能模拟等效声压级，并不能模拟流致壁面噪声载荷的空间相关性，并不能解决流动空间相关致振的关键问题。为了满足未来航空航天飞行器结构轻量化、可重复使用等设计需求，进一步提高流/声致振动预测及结构设计精度，分别针对平板结构和旋成体结构发展了缩比模型声致振动响应的等效准则及预示方法。但是该相似律更多偏重于流致振动相似特性，为了解决航空发动机喷流噪声致振的预测问题，还需要对原有相似律理论进行进一步的完善和改进。

发明内容

现有的声振响应预示方法主要通过结构尺寸角度去等效，进而去降低噪声试验对实验室条件的依赖。这种等效只解决了空间尺寸等效问题，具有一定的局限性，并不完全适合行波管、混响室等试验室条件下的噪声试验。本发明的目的是提供一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，考虑发动机结构和噪声声源对喷管动响应等效的影响，将结构尺寸缩比的同时声源视作两个独立的噪声分量进行缩比，引入只含有缩比因子的简单缩比形式，将缩比模型与实际模型的复杂等效关系简单化，通过缩比模型准确预测原模型的动响应大小，进一步降低噪声试验对试验室条件的依赖，并能提高对实际噪声环境的模拟真实性和精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，包括如下步骤：

步骤一、根据发动机实际尺寸大小和发动机喷管大小确定模型缩比因子为。建立发动机缩比模型，把喷管模型的几何尺寸等效为：直径/>，厚度/>，长度，得到喷管缩比模型。其中“¯”表示的是缩比模型相关参数。

步骤二、亚音速喷流湍流混合噪声谱由独立的大湍流结构噪声和细尺度湍流噪声组成：

其中，为频率，/>为完全膨胀的射流直径；/>为大湍流结构的独立噪声相似谱，/>为细尺度湍流的独立噪声相似谱，/>为大湍流结构噪声的特征频率、/>为细尺度湍流噪声的特征频率，/>、/>已经归一化处理，即/>；/>为大湍流结构的独立噪声相似谱的振幅，/>为细尺度湍流的独立噪声相似谱的振幅；/>为从喷嘴出口测量的径向距离。

为喷管出口截面直径；/>和/>分别为喷管设计马赫数和全膨胀射流马赫数；为常数。

对喷流噪声的相关重要参数进行声振缩比，得：

和/>、/>和/>都与/>喷射操作函数有关，与所选的射流声波有关，不受缩比影响，即

为缩比模型的大湍流结构的独立噪声相似谱的振幅，/>为缩比模型的细尺度湍流的独立噪声相似谱的振幅，/>为缩比模型的大湍流结构噪声的特征频率，/>为缩比模型的细尺度湍流噪声的特征频率。

为缩比模型的喷管出口截面直径，/>为缩比模型的完全膨胀的射流直径。

为缩比模型的喷嘴出口测量的径向距离。

和/>是经验总结函数，不受缩比影响。结合公式(1)(2)(3)(4)(5)，将亚音速喷流湍流混合噪声谱/>等效为：

表示缩比模型的亚音速喷流湍流混合噪声谱。

步骤三、基于步骤一、二的缩比方法，进行缩比模型与全尺寸模型之间动力学特性等效； 包括步骤 3.1 至 3.3 三个子步骤。

步骤 3.1、对结构尺寸进行缩比，得出关于结构振型原尺寸模型与缩比模型之间的缩比关系：

其中，表示原尺寸模型的无量纲模态振型，/>表示缩比模型的无量纲模态振型，/>表示相关点的任意位置坐标。

步骤 3.2 、结构的特征频率也通过对结构尺寸进行缩比，得到原尺寸模型与缩比模型之间只含有缩比因子的缩比关系：

为材料的弹性模量，/>，/>由本身的材料属性决定；/>是缩比模型的材料参数；/>表示原尺寸模型的密度，/>表示缩比模型的密度；/>表示原尺寸模型的泊松比，/>表示缩比模型的泊松比；/>为材料缩比参数；/>为原尺寸模型的特征频率，为缩比模型的特征频率；若原尺寸模型和缩比模型采用同样的材料，则/>，由此得出/>。

步骤 3.3、 根据公式(6)(7)，构建原尺寸模型与缩比模型结构的位移响应功率谱密度缩比关系：

其中，表示原尺寸模型的阻抗，/>表示缩比模型的阻抗；/>表示原尺寸模型的模态因子，/>表示缩比模型的模态因子。/>表示原尺寸模型的位移响应功率谱密度，/>表示缩比模型的位移响应功率谱密度；/>、/>为原尺寸模型和缩比模型的频率。

步骤四、采用有限元方法计算预测结构的声振响应，以步骤一的喷管缩比模型与原尺寸模型建立有限元几何模型，同时输入材料参数与缩比因子大小，并根据实际工况添加简支支撑边界条件和公式(6)的缩比声源，对照基于式(7)(8)(9)的预测结果，以缩比模型预测原尺寸模型的声振响应仿真分析，得到声振响应和模态预测结果，即实现同时考虑结构尺寸缩比与声源缩比的喷管声振响应预测。

有益效果

1、本发明公开的一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，通过建立喷管缩比模型，同时结合结构尺寸缩比和将声源视作两个独立的噪声进行缩比的方法，进行缩比模型的有限元仿真，能够准确通过喷管缩比模型预测原尺寸模型（发动机）的模态、特征频率、声振响应；能够与实际工况相结合进行预测，进一步降低噪声试验对试验室条件的依赖，并能提高对实际噪声环境的模拟真实性。

2、本发明公开的一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，相比于传统的缩比模型预测方法，采用一个简单的缩比因子作为缩比模型与原尺寸模型的连接桥梁，同时建立只含有缩比因子的模态、特征频率、声振响应的简单缩比关系式，将复杂的声振预测简单化，进一步提高试验室预测噪声试验的准确性。

3、本发明公开的一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，在建立只含有缩比因子的模态、特征频率、声振响应的简单缩比关系式的基础上，能够通过喷管缩比模型预测原尺寸模型的模态、特征频率、声振响应，预测结果能够用于优化发动机喷管设计，控制发动机声振效应。

附图说明

图1是混排发动机喷管结构。

图2是声振振荷幅值分布。

图3是声振载荷相位分布。

图4是喷管模型有限元计算模型。

图5(a)模态阶数=1全尺寸模型(左)和缩比模型(右)比较图。

图5(b)模态阶数=2全尺寸模型(左)和缩比模型(右)比较图。

图5(c)模态阶数=3尺寸模型(左)和缩比模型(右)比较图。

图6是喷管响应功率谱密度函数预测结果与原结果对比曲线。

图7本发明公开的一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

以下的方法中，取展向边界层激励幅值衰减率，流向边界层激励幅值衰减率/>，缩比因子/>。本方法例以混排发动机喷管为例，开展基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，如图7所示，本实施例公开的一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，具体实现步骤如下：

步骤一、喷管结构的缩尺。用混排发动机喷管结构将结构尺寸进行缩比建立缩比模型与原尺寸模型。

1.喷管结构见图1，喷管的结构尺寸由喷管的长度，厚度/>以及直径/>组成。对结构的尺寸进行如下等效缩比：

步骤二、缩尺喷管声源的缩比。管喷流噪声表示为两个独立的大湍流结构噪声与细尺度湍流分量进行缩比等效，且采用Corcos模型模拟喷管表面声振载荷作用于喷管表面，表达式见公式(11)包括声振载荷的幅值分布和相位分布的模化。

其中，为湍流边界层激励峰值，对应角频率/>；/>为对流速度，/>范围为；/>表示平均对流速度；/>表示相关点在展向的距离差，/>表示相关点在流向的距离差；/>表示展向的边界层激励幅值衰减率，/>表示流向的边界层激励幅值衰减率。振动幅值大小和分布是由/>项决定，而载荷的相位分布是由/>项决定。

喷管的喷流噪声的主要部分是在射流的核心区域产生，因此根据上述两个独立噪声分量，将噪声从声源方面进行缩比等效，得到缩比模型的声源组成。

喷管表面声振载荷幅值分布见图2。从图3喷管表面声振载荷可以看出，喷管表面声振载荷幅值沿流向有一定的衰减，衰减速度的大小是由模型表面的流场特征决定的。图3是喷管表面声振载荷空间相位分布。从图3可以看出，喷管表面声振载荷的相位沿流向呈现一定周期性的变化。

步骤三、缩尺喷管动力学特性的等效。

步骤3.1、通过对结构尺寸的缩比关系，见公式(10)，以及结构尺寸与结构振型之间的对应关系，得到缩比模型与全尺寸模型的结构模态之间的关系，见公式(7)。

无量纲模态振型：

步骤3.2、与步骤3.1相同，同时结合结构尺寸的缩比关系与结构特征频率和尺寸之间的对应关系，将尺寸参数进行缩比变换，得到缩比模型与全尺寸模型之间特征频率的只含有缩比因子的关系，见公式(8)。

特征频率：

步骤3.3、在模态解析法中，全尺寸模型的位移响应功率谱密度见公式(12)。

阻抗与模态因子/>缩比模型与全尺寸模型中不发生变化，即关系见公式(13)、(14)。

基于步骤一的结构尺寸缩比以及步骤3.1、步骤3.2的缩比关系，结合公式(7)、(8)、(10)、(13)、(14)，得到缩比模型与全尺寸模型的位移响应功率谱密度关系。

位移响应：

步骤四、基于缩尺喷管的声振响应预测。采用有限元方法计算预测结构的声振响应，以步骤一的喷管缩比模型与原尺寸模型建立有限元几何模型，材料为铝，阻尼为0.02，模拟实际工况添加简支支撑边界条件，采用Corcos模型模拟喷管表面声振载荷作用于喷管模型表面，并进行网格划分，计算网格见图4，网格数为7000。开展缩比模型预测仿真分析，得到声振响应预测结果。

采用有限元方法计算的结构模态比较见图5(a)、图5(b)、图5(c)，图5(a)、图5(b)、图5(c)是全尺寸模型和缩比模型不同模态阶数的比较图。结构声振响应功率谱密度函数曲线见图6。比较分析图6的结果与全尺寸模型进行对比分析得出，基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法能成功预测原模型的响应结果。

在进行喷管噪声试验时，使用本专利的缩比等效方法进行预测时，为了保证最终在试验室中喷管的测试响应结果偏差减少以及减少噪声试验对试验室的依赖性，选用缩比模型和原尺寸模型时尽量选用相同材料，通常如果要选用材料不同的模型，选用材料参数相似的材料进行缩比。因此在保证材料尺寸缩比的同时也要保证材料属性的相似性，才能最大程度保证噪声试验与实际情况相符合。

目前的喷管噪声试验都会存在空间尺寸的技术难题，常规的缩比等效方法大多基于结构尺寸方面解决噪声试验受制于大试验件的尺寸问题。然而，喷管噪声试验不仅要考虑结构尺寸，也要考虑喷流噪声以及喷管外部所受激励，单方面只考虑结构尺寸的声振预测相似方法是不准确的，得出的结果也会和实际噪声环境下喷管的响应结果相差许多。本发明提出的基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，不仅解决了结构尺寸方面的预测相似问题，还提出了对声源组成以及外部激励进行缩比等效的方法，极大地降低了喷管噪声试验对试验室的依赖性，能在噪声试验中更好地模拟实际噪声环境下的喷管情况。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、根据发动机实际尺寸大小和发动机喷管大小确定模型缩比因子为；/>建立发动机缩比模型，把喷管模型的几何尺寸等效为：直径/>，厚度/>，长度/>，得到喷管缩比模型；其中“¯”表示的是缩比模型相关参数；

步骤二、亚音速喷流湍流混合噪声谱由独立的大湍流结构噪声和细尺度湍流噪声组成：

（1）

其中，为频率，/>为完全膨胀的射流直径；/>为大湍流结构的独立噪声相似谱，/>为细尺度湍流的独立噪声相似谱，/>为大湍流结构噪声的特征频率、/>为细尺度湍流噪声的特征频率，/>、/>已经归一化处理，即/>；/>为大湍流结构的独立噪声相似谱的振幅，/>为细尺度湍流的独立噪声相似谱的振幅；/>为从喷嘴出口测量的径向距离；

（2）

为喷管出口截面直径；/>和/>分别为喷管设计马赫数和全膨胀射流马赫数；/>为常数；

对喷流噪声的相关重要参数进行声振缩比，得：

和/>、/>和/>都与/>喷射操作函数有关，与所选的射流声波有关，不受缩比影响，即

（3）

为缩比模型的大湍流结构的独立噪声相似谱的振幅，/>为缩比模型的细尺度湍流的独立噪声相似谱的振幅，/>为缩比模型的大湍流结构噪声的特征频率，/>为缩比模型的细尺度湍流噪声的特征频率；

（4）

为缩比模型的喷管出口截面直径， />为缩比模型的完全膨胀的射流直径；

（5）

为缩比模型的喷嘴出口测量的径向距离；

和/>是经验总结函数；结合公式(1)(2)(3)(4)(5)，将亚音速喷流湍流混合噪声谱/>等效为：

（6）

表示缩比模型的亚音速喷流湍流混合噪声谱；

步骤三、基于步骤1、2的缩比方法，进行缩比模型与全尺寸模型之间动力学特性等效；包括步骤3.1至3.3三个子步骤；

步骤3.1、对结构尺寸进行缩比，得出关于结构振型原尺寸模型与缩比模型之间的缩比关系；

步骤3.2 、结构的特征频率也通过对结构尺寸进行缩比，得到原尺寸模型与缩比模型之间只含有缩比因子的缩比关系；

步骤3.3、 根据式（6）和3.1的关系，构建原尺寸模型与缩比模型结构的位移响应功率谱密度缩比关系：

步骤四、采用有限元方法计算预测结构的声振响应，以步骤一的喷管缩比模型与原尺寸模型建立有限元几何模型，同时输入材料参数与缩比因子大小，并根据实际工况添加简支支撑边界条件和公式(6)的缩比声源，对照基于式(7）(8）(9)的预测结果，以缩比模型预测原尺寸模型的声振响应仿真分析，得到声振响应和模态预测结果，即实现同时考虑结构尺寸缩比与声源缩比的喷管声振响应预测。

2.如权利要求1所述一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，其特征在于：

步骤3.1所述关于结构振型原尺寸模型与缩比模型之间的缩比关系表达式为：

（7）

其中，表示原尺寸模型的无量纲模态振型，/>表示缩比模型的无量纲模态振型，/>表示相关点的任意位置坐标。

3.如权利要求1所述一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，其特征在于：步骤3.2 所述原尺寸模型与缩比模型之间只含有缩比因子的缩比关系达式为：

（8）

为材料的弹性模量，/>，/>是由本身的材料属性决定；/>是缩比模型的材料参数；/>表示原尺寸模型的密度，/>表示缩比模型的密度；/>表示原尺寸模型的泊松比，/>表示缩比模型的泊松比；/>为材料缩比参数；/>为原尺寸模型的特征频率，/>为缩比模型的特征频率；若原尺寸模型和缩比模型采用同样的材料，则/>，由此得出。

4.如权利要求1或2所述一种基于缩比模型的发动机喷管声振响应预测方法，其特征在于：步骤3.3根据公式(6)(7)，构建原尺寸模型与缩比模型结构的位移响应功率谱密度缩比关系表达式为：

（9）其中，/>表示原尺寸模型的阻抗，/>表示缩比模型的阻抗；/>表示原尺寸模型的模态因子，/>表示缩比模型的模态因子；/>表示原尺寸模型的位移响应功率谱密度，/>表示缩比模型的位移响应功率谱密度；/>、/>为原尺寸模型和缩比模型的频率。