Методика выбора звукопоглощающих конструкций для турбомашин на основе математического моделирования

• Автор: Синер, Александр Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 168 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ.

1 МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ В КАНАЛАХ ТУРБОМАШИН

1.1 Математическая постановка задачи.

1.2 Аналитические методы решения задачи

1.3 Конечноразностный метод решения задачи

1.3.1 Граничные условия.

1.3.2 Верификация численного метода.

1.4 Модели звукопоглощающих конструкций

1.4.1 Общая идея описания акустических свойств ЗПК. Понятие об

акустическом импедансе

1.4.2 Полуэмпирические модели импеданса.
1.4.3 Численная модель импеданса
1.4.4 Выбор математической модели для описания ЗГ1К.
1.5 Выводы по главе 1
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДАЛЬНОГО СОСТАВА ЗВУКОВОГО ПОЛЯ,
ГЕНЕРИРУЕМОГО ТУРБОМАШИНОЙ
2.1 Обзор существующих подходов
2.2 Вычисление модального состава по трехмерному газодинамическому
расчету.
2.3 Методика экспериментального определения модального состава.
2.4 Тестирование разработанного подхода
2.4.1 Восстановление модального состава звука, излучаемого из
открытого конца цилиндрического канала
2.4.2 Восстановление модального состава звука, излучаемого из
воздухозаборника двигателя ГП.
2.4.3 Оценка влияния нестационарного модального состава на качество
измерений.
2.5 Выводы по главе 2
3 ВЫБОР ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ
ТУРБОМАШИНЫ.
3.1 Общая идея метода. Выбор целевой функции и ограничений задачи.
Понятие об акустической эффективности
3.2 Метод выбора параметров ЗПК.
3.3 Тестирование процедуры оптимизации на модельной задаче
3.4 Применение методики для выбора звукопоглощающих конструкций
воздухозаборного канала авиационного двигателя.
3.5 Выводы по главе 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Анализируются различные технологические, экономические и акустические ограничения, учитываемые при создании поглощающих облицовок. Общая схема методики выбора наилучших звукопоглощающих конструкций также рассматривается в третьей главе работы. Впервые построена целостная система выбора параметров ЗПК, позволяющая в линейном приближении учитывать множество факторов: сложную осесимметричную форму канала, неоднородное иоле течения внутри него, сложную пространственную структуру распространяющихся звуковых полей, наличие жестких и импедансных стенок со сложными частотными характеристиками поглощения. Такая последовательность удобна для инженеров, поскольку геометрические параметры ЗПК являются конечной целью методики. На основе предлагаемой методики в работе выбираются предварительные параметры звукопоглощающих конструкций для воздухозаборного канала авиационного двигателя ПС-А. Вычисления проводились методом прямого перебора с использованием аналитической модели распространения. Полученные параметры могут быть использованы для дальнейшей экспериментальной доводки или же как начальное приближение для других методик. Предложенная в работе методика используется при выборе конструктивных параметров ЗПК на ОАО “Авиадвигатель”. Задача о распространении малых возмущений в каналах турбомашины имеет большое научно-техническое значение, поскольку волновод, в котором установлена лопаточная машина, является средством поглощения звука. Правильное моделирование эффектов взаимодействия звука со стенками канала позволяет адекватно влиять на звуковое поле ^создаваемое турбомашиной 9 и существенно уменьшать его. Одной из первых работ, посвященных этой проблеме, была работа Филиппа Морза [5], в которой представлено аналитическое решение для плоской звуковой волны, распространяющейся в прямоугольном или цилиндрическом канале с поглощающими стенками. Канал предполагался бесконечным, средний поток не учитывался. Данная работа была еще далека от реальных приложений к области двигателсстроения, но одной из важных особенностей этого исследования было использование волны специального вида, получившей в дальнейшем название акустической моды. В более поздних работах [6] было представлено применение разрабатываемых модальных подходов для решения реальных инженерных задач. В настоящее время разложение звуковых полей на простейшие составляющие, акустические моды, очень широко используется в аэроакустике [6,7,8,9,]. Рассмотрим общую постановку задачи о распространении малых возмущений в каналах турбомашины. Поля акустического давления считаются малыми величинами по сравнению со средними полями. Рис. Канал турбомашины имеет осевую симметрию. Среднее поле течения в общем случае неоднородно, но с хорошей степенью точности может считаться осесимметричным [7]. Средние поля стационарны. Источником возмущений является лопаточная машина, генерирующая звуковые поля специального вида (акустические моды). Количество генерируемых лопаточной машиной окружных акустических мод невелико [6,7]. Сложное взаимодействие звуковых волн с поверхностью звукопоглощающей конструкции описывается с помощью понятия акустического импеданса. Влияние вязкости и нелинейные эффекты вблизи ЗПК также учитываются с помощью импеданса. Такой подход широко распространен в аэроакустике [,]. Взаимодействие звуковых волн с ЗПК является локальным. Существуют звукопоглощающие материалы с нелокальным воздействием, однако для гашения шума турбомашин используются преимущественно локально реагирующие ЗПК []. Звукопоглощающие конструкции предполагаются абсолютно жесткими, задача о взаимодействии акустической волны с материалом поглощающей конструкцией не рассматривается. Также не рассматриваются возможные резонансные явления в материале ЗПК. На основе всего сказанного выше можно сделать вывод, что для создания удобной модели распространения акустических волн в каналах турбомашины могут быть использованы осесимметричные линеаризованные уравнения Эйлера и модель импеданса звукопоглощающей конструкции. Матрицы А, В, С, Д зависящие от среднего поля течения и его градиентов, можно найти, например, в [].